高超音速飞行器集群分层控制框架研究

作者及发表信息

本研究的核心团队来自大连理工大学（Dalian University of Technology）和瑞典查尔姆斯理工大学（Chalmers University of Technology）。第一作者Chong-Yi Sun为大连理工大学控制科学与工程学院博士生，通讯作者Xu Fang为该校教授，其他作者包括Yan-Hua Ma、Hui Chen和Xi-Ming Sun（IEEE Senior Member）。研究论文《Maneuvering Multiple Hypersonic Flight Vehicles via a Hierarchical Control Framework》发表于IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems期刊，2025年4月7日在线发表，项目得到国家科技重大专项（2019-I-0019-0018）等资助。

学术背景

研究领域与动机

研究聚焦于多高超音速飞行器（Hypersonic Flight Vehicles, HFVs）的编队机动控制，属于航空航天控制与多智能体系统的交叉领域。高超音速飞行器凭借超高速（5马赫以上）、大空域机动能力和强突防性能，在军事与民用领域具有战略价值。然而，现有研究多针对单飞行器控制，而多HFV协同编队面临以下挑战：
1. 通信负担：传统基于共识（consensus-based）的方法需广播时变参数，随飞行器数量增加会导致网络负载激增；
2. 灵活性不足：现有包含控制（containment control）方法无法精确控制从飞行器的位置，仅能将其约束在领导者形成的凸包内；
3. 几何约束限制：传统实加权位置约束（real-weighted position constraints）要求每个从飞行器在二维空间至少需3个邻居，且难以实现多样化的编队构型变换。

研究目标

提出一种分层控制框架，实现：
- 减少从飞行器对邻居数量和通信的依赖；
- 支持编队的旋转、缩放、平移及更复杂的形状变换；
- 精确控制每个HFV的飞行高度和前进位置；
- 从飞行器无需获知时变的目标编队参数。

研究方法与流程

1. 分层控制框架设计

框架分为三个模块（图1）：

（1）目标编队生成器（Target Formation Generator）

• 输入：领导者设计的机动参数（缩放因子β(t)、旋转矩阵A(t)、平移向量δ(t)、形状参数η(t)）；
  
• 核心约束：提出矩阵加权位置约束（matrix-weighted position constraint），通过构造标称编队（nominal formation）与目标编队间的几何不变关系，使得从飞行器仅需2个邻居（传统方法需≥3个）。权重矩阵设计为：
  math H_{ij} = \begin{bmatrix} c_1 & c_3 \\ -c_3 & c_1 \end{bmatrix}, \quad c_1 = \frac{e_{ij,1}}{\|e_{ij}\|^2}, \quad c_3 = \frac{e_{ij,2}}{\|e_{ij}\|^2}
  其中e_{ij}为标称编队中飞行器i与j的相对位置。
  

（2）运动状态规划器（Motion State Planner）

• 领导者控制律：结合饱和函数设计非线性跟踪控制器，确保虚拟输入误差收敛：
  math u_{pi} = -κ_1 e_i - κ_2 \text{sat}(κ_3 e_i)\|e_i\|^v + \dot{p}^*_i
  
• 从飞行器分布式控制：仅需测量邻居的相对位置和速度，通过局部信息计算期望运动状态：
  math u_{pi} = \left( \sum_{j∈N_i} H_{ij} \right)^{-1} \sum_{j∈N_i} H_{ij} \left( \dot{p}_j - ε_1(p_i - p_j) \right)
  

（3）运动控制模块（Motion Control Module）

• 速度控制：基于滑模控制（sliding mode control）设计燃油空气比（FAR）指令：
  math \Gamma_{ci} = -g_{vi}^{-1} \left( k_{v1} \tanh(k_{v2} s_{vi}) + k_{v3} s_{vi} + f_{vi} - \dot{v}_{di} \right)
  
• 航迹角（FPA）控制：采用反步法（backstepping）设计升降舵偏转指令，通过三级子系统逐步消除角度跟踪误差。
  

2. 仿真验证

实验1：三领导者+六从飞行器编队

• 场景：穿越狭窄空间时编队线性化（图4e），形状参数设计为η₈=(-3,0)ᵀ，η₉=(3,0)ᵀ；
  
• 结果：跟踪误差在150秒内收敛至零（图5），最小飞行器间距始终大于零（图6），验证了防碰撞能力。
  

实验2：领导者共线条件下的非共线编队

• 创新性：当领导者共线时，从飞行器仍可形成多样非共线构型（图8d-e），突破了传统方法对共线约束的限制。
  

主要结论与价值

理论贡献

1. 通信效率提升：矩阵加权约束使从飞行器邻居数量从≥3个降至2个，减少通信负载约33%；
   
2. 编队灵活性：支持旋转、缩放、平移及形状变换的四自由度机动，且从飞行器无需知晓时变参数；
   
3. 控制精度：同步控制高度与前进位置，位置误差收敛速度较传统方法提升20%（仿真数据）。
   

应用价值

• 军事领域：适用于HFV集群突防、协同侦察等任务，例如通过动态编队规避雷暴区或侦察区（图4d-f）；
  
• 民用潜力：为未来高超音速物流编队提供控制理论基础。
  

研究亮点

1. 方法新颖性：首次将矩阵加权约束引入HFV编队控制，解决了传统实加权约束的几何局限性；
   
2. 工程可行性：控制律仅需局部信息，适应HFV传感器受限的现实条件；
   
3. 仿真完备性：通过双实验验证了方法在共线/非共线场景下的普适性，代码开源于IEEE DataPort。
   

其他价值

论文附录提供了标称编队矩阵R_f的生成算法（式16），可直接用于其他多智能体系统的编队设计。此外，研究者开发了基于MATLAB/Simulink的仿真工具箱，支持用户自定义HFV动力学参数（表I）。