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申请/专利权人：南京工业大学

摘要：本发明涉及基于中间变量观测器的多领航无人机系统容错编队控制方法，包括：构建存在系统故障和系统不确定性的多领航无人机系统动态模型，并对跟随无人机的系统故障和系统不确定性构造增广系统；对上述增广系统设计基于中间变量的故障观测器；设计分布式自适应跟踪容错编队控制器，并利用故障观测器得到的估计值在容错编队控制器中构造补偿项；基于李雅普诺夫定理和自适应技术设计故障观测器和容错编队控制器参数；验证在满足设计的参数条件下该容错编队控制器能够实现对多领航无人机系统的编队跟踪目标。本发明基于故障观测器与相对编队误差信息相结合的容错编队控制器，考虑了系统故障和系统不确定性的影响，改善了以往该领域研究的局限性。

主权项：1.基于中间变量观测器的多领航无人机系统容错编队控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、构建存在系统故障和系统不确定性的多领航无人机系统动态模型，并对跟随无人机的系统故障和系统不确定性构造一个增广系统，便于后续的故障观测器设计；其中，构建存在系统故障和系统不确定性的多领航无人机系统动态模型，具体包括：考虑一个具有N个机体的多无人机系统，其中跟随无人机的数量是M，领航无人机的数量是N-M，第i个跟随无人机的动力模型是： 其中，F＝{1,2,...,M}，表示跟随无人机的编号，表示系统状态，表示xit对时间t的一阶导数，表示测量输出，表示控制输入，和分别表示过程故障和系统不确定性，矩阵表示状态矩阵，表示输入矩阵，表示不确定性分布矩阵，表示输出矩阵，表示故障分布矩阵，这些系统矩阵均是已知的，并且B,E是列满秩的；领航无人机的动态模型为： 其中，Q＝{M+1,...,N}表示领航无人机编号，表示领航无人机的状态，表示领航无人机的输出，矩阵表示状态矩阵，表示输出矩阵；对跟随无人机的系统故障和系统不确定性构造一个增广系统，具体包括：定义增广系统的状态变量xit＝[xiTt,fiTt]T，将上述第i个跟随无人机的动力模型改写成如下增广形式： 其中，矩阵和表示第i个跟随无人机的动力模型增广系统的系统矩阵，是增广系统的状态矩阵、是增广系统的输入矩阵、是增广系统的不确定性分布矩阵、是增广系统的故障分布矩阵，是增广系统输出矩阵，nx表示系统状态xit的维数，nu表示控制输入uit的维数，nf表示过程故障fit的维数，ny表示是系统输出yit的维数，nθ表示系统不确定性θit的维数，表示增广系统的状态，表示对时间t的一阶导数，表示过程故障fit对时间t的一阶导数，yit表示系统输出；S2、选择一个经过设计的中间变量，对上述增广系统设计一种基于中间变量的故障观测器，用于估计系统故障和系统不确定性；基于中间变量的故障观测器的表达式为： 其中，ξit是经过设计的中间变量，满足条件ω是一个选定的标量，和分别为ξit、θit和yit的估计值，矩阵H是需要设计的观测器增益，表示对时间t的一阶导数，表示对时间t的一阶导数；S3、利用相对状态信息的自适应技术设计分布式自适应跟踪容错编队控制器，并利用故障观测器得到的估计值在容错编队控制器中构造补偿项；容错编队控制器的表达式为： 其中，假设存在矩阵B*，使得I-BB*E＝0，I表示合适维度的单位矩阵，也就是说B*是B的广义逆矩阵，和分别表示和的估计值，表示第i个跟随无人机系统状态xit的估计值，表示第j个跟随无人机系统状态xjt的估计值，hit表示第i个跟随无人机的期望时变队列信息，hjt表示第j个跟随无人机的期望时变队列信息，hit、hjt是已知的，aij为拓扑结构图的邻接矩阵中第i行第j列的元素，aim为拓扑结构图的邻接矩阵中第i行第m列的元素，反应了各个无人机之间的通信关系，eit为各个跟随无人机之间的状态误差，rit为跟随无人机与各个领航无人机之间的状态误差，Ψit是需要设计的容错编队控制器增益矩阵，νit是补偿项，用于补偿期望时变队列结构hit及其时间导数表示故障分布矩阵，表示第i个跟随无人机的动力模型增广系统的不确定性分布矩阵，为第i个跟随无人机的系统不确定性θit的估计值，为第i个跟随无人机的系统过程故障fit的估计值，M为跟随无人机的数量，N表示机体的总数；S4、基于李雅普诺夫定理和自适应技术设计故障观测器和容错编队控制器参数；设计故障观测器和容错编队控制器参数，具体包括：如果存在标量ω＞0,ε＞0，矩阵P1＞0,P2＞0，故障观测器参数需要满足下列线性矩阵不等式条件： 其中I表示合适维度的单位矩阵，矩阵表示状态矩阵，表示第i个跟随无人机的动力模型增广系统的故障分布矩阵，表示第i个跟随无人机的动力模型增广系统的状态矩阵，故障观测器增益为是的转置，ω和ε都是设定的恒定参数；然后对于容错编队控制器的参数进行如下设计：如果存在矩阵P3＞0,Ω1＞0，容错编队控制器参数需要满足下列条件： 其中是设计的变量，它表示第i个跟随无人机的编队跟踪误差，是的估计值，它们分别表示为S5、验证在满足设计的参数条件下该容错编队控制器能够实现对多领航无人机系统的编队跟踪目标。

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