针对存在通信时延时含单一领导者的多无人机系统的编队控制问题, 基于一致性控制理论设计了控制器, 使得系统在一定的通信时延条件下依旧能够使各系统状态趋于一致, 形成期望的编队。首先, 建立系统中各无人机的动力学模型, 做出一些基本假设, 并根据一致性理论设计参数待定的控制器; 其次, 通过变量代换和数学变形, 得到一个新系统, 将原系统的编队控制问题转化为低阶系统的渐近稳定问题; 最后, 设计Lyapunov-Krasovskii函数, 结合线性矩阵不等式推导出了系统达到一致性的充分条件。仿真结果表明, 在满足给出的条件时, 系统能够在时滞条件下形成期望的时变编队。

针对分布式群系统编队控制问题, 提出一种有向拓扑条件下的分布式编队控制方法。首先, 通过在控制协议中引入辅助函数, 利用变量代换, 将编队控制问题简化为自治系统的稳定性问题, 使得复杂的控制问题简单化。其次, 通过求解线性矩阵不等式设计控制增益矩阵, 形式简单, 求解复杂度低。然后借助李雅普诺夫方法分析系统的稳定性。仿真实验表明, 多无人机系统在分布式控制协议下, 能够有效实现编队跟踪控制。

针对联合连通拓扑条件下具有多个领导者的多无人机系统编队包含控制问题, 分别为领导者和跟随者设计分布式一致性控制器, 依据领导者和跟随者对Laplacian矩阵进行分块, 对具有有向生成树的Laplacian矩阵进行特殊分解, 将领导者的编队控制问题简化为低阶时变系统的渐近稳定性问题。定义跟随者实现包含控制误差量, 将跟随者的包含控制问题简化为时变系统的渐近稳定性问题。利用平均化方法, 将两个时变系统的渐近稳定性问题转化为两个时间平均系统的渐近稳定性问题, 借助线性矩阵不等式和Lyapunov函数给出了控制器的设计步骤, 使得多无人机系统的通信拓扑切换足够快, 多无人机系统就能在联合连通拓扑条件下实现编队包含控制。通过仿真验证, 结果表明所设计控制器的有效性。

针对二阶多无人机系统时变编队控制问题, 借助事件触发函数, 设计了一致性分布式控制器, 使其形成时变编队。结合Laplacian矩阵的特殊性质, 对其分解, 将编队问题化简为低阶系统渐近稳定性问题。给出控制器设计算法, 利用线性矩阵不等式(LMI)和Lyapunov函数证明了在给定事件触发函数下算法的有效性, 并证明了所给事件触发函数时间序列不存在Zeno现象。对多无人机系统的运动在三维空间进行仿真, 结果表明无人机在所设计的控制器作用下形成期望的时变编队, 有效地节约了通信带宽和计算资源。

基于一致性理论的多无人机分布式协同控制已广泛运用于无人机作战中, 通过一致性控制算法实现状态一致完成协同需求。建立了集结问题的数学模型, 基于协调变量和协调函数的分解策略进行求解。为实现协同控制的最优性, 改进了平均一致性控制算法, 采用Hamilton-Jacobi-Bellman方程给出基本优化一致性控制算法。在控制算法中引入过去状态差值, 提高控制算法的动态响应性和能量最优性; 同时采用遗传算法优化代价函数的加权矩阵, 进一步提高控制算法的动态响应性和能量最优性, 缩短了任务执行时间。理论分析和仿真实验验证了方法的有效性和可行性。

多无人机系统中,系统状态的一致性是实现多无人机分布式协同控制的基础, 一致性控制算法是多无人机系统实现状态一致的有效方法。通信约束条件下, 无人机平台基于局部交互信息, 通过一致性控制算法, 控制系统状态演化一致。为解决改变通信拓扑结构和多跳路由通信的不可操作性问题, 引入状态差值和预测状态,设计新的快速一致性控制算法。给出新算法收敛性和快速性的相关定理,并进行了严格的数学证明, 在分布式协同控制结构下实现多无人机快速任务协同。理论分析和仿真实验验证了算法的可行性和有效性。