基于滑模控制器的无人机编队控制与避障方法设计文献综述

1.研究背景

随着现代科技的飞速发展，无人设备得以快速发展。其中，无人机因为具有机动性能好、结构简单等优点在各行各业中得到了广泛的应用。军事上，无人机能够执行侦察、巡航、火力打击等各种任务，隐蔽性好，且可以避免人员伤亡^[1]；农业上，无人机可以完成火灾预警、灭火、喷洒农药等任务，遇到灾情可以第一时间派出无人机对受灾地区进行灾情评估与支援^[2]；生活上，随着无人机的微型化，且价格低廉、操作简单、功能酷炫，无人机也走进了人们的日常生活中，航拍、编队表演等，得到了人们的广泛关注与极大的认可。

无人机可分为旋翼和固定翼两大类^[3]。而与固定翼无人机相比，旋翼类无人机具有体积小、结构简单、垂直起降、定点悬停等优点，是各大高校热门研究对象^[4]。

随着人们需求的增加，无人机需要执行的任务的复杂化，单架无人机无法完成复杂的任务，进而显示出一些弊端，比如侦查范围有限、出现故障时需中断飞行进行维修、作为战斗机时的破坏能力有限等^[5]。为进一步发展无人机技术，当今有两个发展方向：一来在于提高单机的功能和效率；二来在于发展多无人机协同控制，而多无人机协同编队控制则是多无人机协同控制的关键技术之一^[6]。

2.国内外研究现状

无人机编队飞行指多架无人机在三维空间按一定任务需求进行排列和任务的分配的模式。无人机编队控制主要分为分散式控制和分布式控制^[7]。分散式控制中，无人机的参考轨迹是根据编队队形生成的，且是提前规划好的，无法更改，无人机所有的信息都是集中在编队地面控制站中处理的。而分布式控制的重点在于跟随与队形保持，跟随者通过跟随领航者的状态来保持编队队形。

在多无人机编队飞行控制中，多无人机的编队应该包括信息交互和队形构成与保持算法两个方面^[8]。在多无人机信息交互方面，多无人机的通信方式可以分 为集中式和分布式两种。在队形构成与保持算法方面，编队控制方法有领导跟随

法^[9]、虚拟结构法^[10]、基于行为法^[11]和一致性方法^[12]。

以上编队控制方法仅用于对于整体编队的控制，而能够对多无人机群中每架无人机进行控制的方法有PID 控制^[13]、自适应控制^[14]、滑模控制^[15]等。

目前在编队控制方面有很多控制方法，但是，这些方法都有着自身的优缺点。基于行为法需要预先设计行为的触发条件来控制无人机的行为，使得系统编队的适应性和灵活性大大降低；虚拟结构法对无人机的通信质量和计算能力有很高的要求，使编队的可靠性较差，同时必须将编队看作是一个刚体限制了该方法的应用范围；一致性方法对无人机之间的通信有着很高的要求，且无法长时间保持系统中所有无人机的状态收敛到一致；领导跟随法过于依赖单个目标的状态，编队的鲁棒性较差，级联结构的领导跟随法误差很容易因误差累计而扩大，不利于队形为稳定^[16-30]。

但国外人员在进行了大量研究后提出了新的方法，例如将领导跟随法与以此实现多无人机形成编队的同时不需要相互通信。但仍很难解决领导跟随法过度依赖领导者、编队鲁棒性较差的缺陷。

而国内学者则侧重于研究对于多无人机群中单架无人机的控制，并针对传统编队控制方法进行了研究改进。例如基于领导跟随法、神经网络和自适应理论设计了针对非线性模型的多无人机编队控制器，改进了控制效果，并且通过仿真实验验证了该控制器的有效性；通过结合领导跟随法、基于行为法和一致性方法，设计了有限时间姿态控制器，解决了多无人机编队时的姿态在有限时间内的同步问题。针对领导跟随法中存在的通信阻塞和时滞问题，提出了基于状态估计和反步控制的领导跟随法，并且对此进行了仿真实验。

虽然国内外人员在基于研究的基础上对于应用最广泛的领导跟随编队控制方法进行了改进，但并没有很好地解决该编队控制方法对于领导者过度依赖的问题。

滑模控制是一种相当简单而且控制性能优越的控制方法，他的优点主要体现在：（1）可以对滑动模块进行设计，调节的参数少，响应速度快。（2）不易受到扰动的影响，对扰动具有很强的抑制能力，对于在复杂环境下工作的情况来说十分友好。

滑模控制本质上是非线性控制的一种，简单的说，它的非线性表现为控制的不连续性，即系统的“结构”不固定，可以在动态过程中根据系统当前的状态有目的地不断变化，迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动。从而在无人机编队控制这一问题中进一步降低编队控制时对于领导者的依赖性。

故而为更好地解决领导跟随法对于领导者过度依赖的问题，我们需对领导跟随法进行深入研究，在结合图论的基础上，采用滑模控制理论设计多无人机的编队控制。

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