文档介绍：第二十八届（20XX）全国直升机年会论文
基于一致性算法无人直升机编队飞行研究
印 佼1 王勇强2 孙传伟1
（1. 南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级关键试验室，南京，210016；2. 北京大学工学院，北京，100871）
摘 要：本文基于一致性算法，进行了无人直升机编队飞行初步研究。建立了一个简化无人直升机运动模型，考虑了模型带自动驾驶仪情况，给出了对应约束条件；利用代数图形理论描述了各无人直升机之间通信拓扑关系；提出了基于一致性算法多无人直升机速度、姿态角和高度同时控制策略；并结合相对位置和相对姿态角反馈编队图控制方法，给出了基于编队图多无人直升机分布式编队飞行控制策略；最终，以五架无人直升机三维空间编队飞行为例，验证了算法有效性。
关键词：无人直升机；图论；一致性算法；编队飞行；分布式协同控制
1 引言
无人机（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）因为含有重量轻、尺寸小、机动性高、隐蔽性好、适应性强、可自主飞行和价格低廉等特点，在民用和军用领域受到了广泛关注。民用方面，无人机用于地形测量、气象观察、城市环境监测、资源勘探、森林防火和人工降雨等；军事上，无人机用于侦察、监视、通信中继、电子对抗、战果评定、骚扰、诱惑、反潜、目标攻击等任务。其中，无人直升机（Helicopter UAVs）因为含有可垂直起降、悬停及可在舰船、荒地起降等特点[1]，其应用空间和发展前景巨大。
因为受到尺寸、传感器、储能及重量方面影响，单架机机载设备及其实施任务能力会严重受到限制[2]。实施多架无人直升机编队飞行，可有效处理这一问题。实现无人直升机编队飞行需提出一个新方法来替换传统导航和控制策略。近几年，多无人机系统分布式协同控制成为了大家关注焦点，它仅依靠局部信息交互，含有很好灵活性、鲁棒性、可靠性和可伸缩性。将一致性理论和图论应用到分布式协同控制算法中，已逐步证实是一个行之有效方法[2]。
2 问题描述
无人直升机运动模型建立
怎样对编队中无人直升机运动进行正确而合适地描述，是研究无人直升机编队控制前提和基础。文件[3]、[4]和[5]介绍了多个无人直升机建模方法，本文着重研究无人直升机编队飞行和控制，所以建模时不考虑直升机编队过程中旋翼气动力影响，假设发动机油耗恒定，且机体刚性。
图1 无人直升机体轴系及其关键部件
无人直升机运动模型建立以下：
其中，为无人机在“北-东-地”惯性坐标系中位置矢量，为机体轴相对于惯性大地坐标系角度矢量，、和、为惯性系和体轴系速度矢量及角速度矢量，、和为对应加速度矢量。
考虑到无人机飞行控制系统普遍含有自动驾驶仪，可使其跟踪速度和姿态角指令。将上述模型写成带自动驾驶仪情况。自动驾驶仪用一阶动态模型近似描述，该无人直升机运动模型以下：
()
其中、、和为自动驾驶仪速度和姿态角角指令、、和是和该机及其飞行状态相关正常数，为平飞时旋翼拉力，m为该机质量。取为模型()控制输入可解算出无人直升机位置坐标和姿态角。
模型()为本文对无人直升机编队控制进行研究和仿真基础模型，将其对纵向和横向解耦，速度保持和姿态角保持用一阶动态模型近似描述，高度保持用二阶动态模型近似描述：
(2.