基于多邊形拼接虛擬管道的無人機(jī)集群分布式控制

本文節(jié)選并改編于“Yan Gao, Chenggang Bai and Quan Quan. Distributed Control for aMulti-Agent System to Pass through a Connected Quadrangle Virtual Tube [J]. IEEETransactions on Control of Network Systems (Early Access), 2022

簡(jiǎn)介

近些年來，隨著相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)集群越來越多的應(yīng)用于各種復(fù)雜的任務(wù)。其中，如何引導(dǎo)無人機(jī)集群穿越復(fù)雜環(huán)境并安全到達(dá)指定區(qū)域是一個(gè)亟待結(jié)局的問題。在這過程中，各無人機(jī)不僅要實(shí)現(xiàn)機(jī)間防碰撞，還需要與環(huán)境中的各種障礙物防碰撞。 本文創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)了一種“多邊形拼接虛擬管道”，在虛擬管道內(nèi)沒有障礙物。因此無人機(jī)只需在實(shí)現(xiàn)機(jī)間防碰撞的基礎(chǔ)上，保持飛行在虛擬管道內(nèi)，即可實(shí)現(xiàn)穿越復(fù)雜環(huán)境。針對(duì)多邊形拼接虛擬管道，本文還設(shè)計(jì)了一種基于向量場(chǎng)算法的分布式控制器，并通過仿真、實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1. 虛擬管道建模

多邊形拼接虛擬管道的基礎(chǔ)是“梯形虛擬管道”，因此首先介紹梯形虛擬管道。如圖1所示，梯形虛擬管道包括一條起始線，一條終點(diǎn)線和兩條邊界線。相對(duì)應(yīng)的，多邊形拼接虛擬管道的每個(gè)多邊形，同樣包括一條起始線，一條終點(diǎn)線和兩條邊界線，如圖2所示。不同之處在于，梯形虛擬管道的起始線與終點(diǎn)線必須保持平行，多邊形則不然。

圖1

圖1

2. 控制器設(shè)計(jì)

針對(duì)梯形虛擬管道，我們基于向量場(chǎng)算法，設(shè)計(jì)了一種無死鎖的分布式控制器。該控制器由三個(gè)控制指令疊加而成，分別為沿著管道前飛指令，防碰撞指令以及管道保持指令。基于拉塞爾不變集的相關(guān)性質(zhì)，我們證明了該控制器可保證無人機(jī)集群始終安全地飛行在虛擬管道內(nèi)，并能順利通過梯形虛擬管道，且無死鎖、堵塞現(xiàn)象的發(fā)生。圖3展示了該控制器的向量場(chǎng)示意圖，其中管道中心處存在一架友方無人機(jī)。

圖3

針對(duì)多邊形拼接虛擬管道，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種無死鎖的切換邏輯。如圖4所示，每個(gè)多邊形都定義了其對(duì)應(yīng)的內(nèi)接梯形、外接梯形和底邊梯形。當(dāng)無人機(jī)恰好穿越兩個(gè)多邊形的分界線時(shí)，無人機(jī)首先應(yīng)用下一個(gè)多邊形對(duì)應(yīng)的底邊梯形控制器。當(dāng)無人機(jī)進(jìn)入該多邊形對(duì)應(yīng)的內(nèi)接梯形時(shí)，無人機(jī)轉(zhuǎn)而應(yīng)用該內(nèi)接梯形的控制器。

圖4

3. 仿真與實(shí)驗(yàn)

首先，在Matlab仿真環(huán)境中驗(yàn)證所提出算法的有效性。如圖5所示，20架無人機(jī)以不同的速度穿越多邊形拼接虛擬管道。在仿真開始時(shí)，最前方的無人機(jī)速度最慢，最后方的無人機(jī)速度最快，因此后方的無人機(jī)有超越前方無人機(jī)的趨勢(shì)。通過仿真可以看出，我們提出的算法實(shí)現(xiàn)了控制目標(biāo)，即無人機(jī)集群始終安全地飛行在虛擬管道內(nèi)，并能順利通過虛擬管道。其次，我們利用Tello無人機(jī)遠(yuǎn)程控制平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如圖6所示，與仿真結(jié)果類似，各個(gè)無人機(jī)安全、快速地穿越了多邊形拼接管道。

圖5

圖6

審核編輯 ：李倩