Formation control analysis and design problems for unmanned aerial vehicle (UAV) swarm systems to achieve time-varying formations are investigated. To achieve predefined time-varying formations, formation protocols are presented for UAV swarm systems first, where the velocities of UAVs can be different when achieving formations. Then, consensus-based approaches are applied to deal with the time-varying formation control problems for UAV swarm systems. Necessary and sufficient conditions for UAV swarm systems to achieve time-varying formations are proposed. An explicit expression of the time-varying formation center function is derived. In addition, a procedure to design the protocol for UAV swarm systems to achieve time-varying formations is given. Finally, a quadrotor formation platform, which consists of five quadrotors is introduced. Theoretical results obtained in this brief are validated on the quardrotor formation platform, and outdoor experimental results are presented.

Time-varying formation tracking analysis and design problems for second-order Multi-Agent systems with switching interaction topologies are studied, where the states of the followers form a predefined time-varying formation while tracking the state of the leader. A formation tracking protocol is constructed based on the relative information of the neighboring agents. Necessary and sufficient conditions for Multi-Agent systems with switching interaction topologies to achieve time-varying formation tracking are proposed together with the formation tracking feasibility constraint based on the graph theory. An approach to design the formation tracking protocol is proposed by solving an algebraic Riccati equation, and the stability of the proposed approach is proved using the common Lyapunov stability theory. The obtained results are applied to solve the target enclosing problem of a multiquadrotor unmanned aerial vehicle (UAV) system consisting of one leader (target) quadrotor UAV and three follower quadrotor UAVs. A numerical simulation and an outdoor experiment are presented to demonstrate the effectiveness of the theoretical results.

Time-varying formation tracking problems for linear multiagent systems with multiple leaders are studied, where the states of followers form a predefined time-varying formation while tracking the convex combination of the states of multiple leaders. Followers are classified into well-informed ones and uninformed ones, where the neighbor set of the former contains all the leaders, whereas the latter contains no leaders. A formation tracking protocol is constructed using only neighboring relative information. Necessary and sufficient conditions for multiagent systems with multiple leaders to achieve time-varying formation tracking are proposed by utilizing the properties of the Laplacian matrix, where the formation tracking feasibility constraints are also given. An approach to design the formation tracking protocol is presented by solving an algebraic Riccati equation. The obtained results can be applied to deal with time-varying formation tracking problems, target enclosing problems, and consensus tracking problems for linear multiagent systems with one or multiple targets/leaders. Numerical simulations are provided to demonstrate the effectiveness of the theoretical results.

Time-varying formation analysis and design problems for multi-agent systems with general linear dynamics and switching directed interaction topologies are investigated. Different from the previous results, the formation in this paper can be defined by specified piecewise continuously differentiable vectors and the switching topologies are directed. Firstly, necessary and sufficient conditions for general linear multi-agent systems with switching directed topologies to achieve time-varying formations are proposed, where a description of the feasible time-varying formation set and approaches to expand the feasible formation set are given. Then an explicit expression of the time-varying formation reference function is derived to describe the macroscopic movement of the whole formation. An approach to assign the motion modes of the formation reference is provided. Moreover, an algorithm consisting of four steps to design the formation protocol is presented. In the case where the given time-varying formation belongs to the feasible formation set, it is proven that by designing the formation protocol using the proposed algorithm, time-varying formation can be achieved by multi-agent systems with general linear dynamics and switching directed topologies if the dwell time is larger than a positive threshold. Finally, numerical simulations are presented to demonstrate the effectiveness of the theoretical results.

Time-varying formation control problems for unmanned aerial vehicle (UAV) swarm systems with switching interaction topologies are studied. Necessary and sufficient conditions for UAV swarm systems with switching interaction topologies to achieve predefined time-varying formations are proposed. Based on the common Lyapunov functional approach and algebraic Riccati equation technique, an approach to design the formation protocol is presented. An explicit expression of the formation reference function is derived to describe the macroscopic movement of the whole UAV formation. A quadrotor formation platform consisting of four quadrotors is introduced. Outdoor experiments are performed to demonstrate the effectiveness of the theoretical results.

Formation-containment control problems for multiple multirotor unmanned aerial vehicle (UAV) systems with directed topologies are studied, where the states of leaders form desired formation and the states of followers converge to the convex hull spanned by those of the leaders. First, formation-containment protocols are constructed based on the neighboring information of UAVs. Then, sufficient conditions for multi-UAV systems to achieve formation-containment are presented. An explicit expression to describe the relationship among the states of followers, the time-varying formation for the leaders and the formation reference is derived. It is shown that the states of followers not only converge to the convex hull formed by those of leaders but also keep certain formation specified by the convex combination of the formation for the leaders. Moreover, an approach to determine the gain matrices of the formation-containment protocol is proposed by solving an algebraic Riccati equation. Finally, a formation-containment platform with five quadrotor UAVs is introduced, and both the simulation and experimental results are presented to demonstrate the effectiveness of the obtained results. Note to Practitioners-This paper addresses the problem of formation-containment control for multi-UAV systems over directed topologies. In practical applications, there may exist multiple leaders and multiple followers in a multi-UAV system. Formation-containment means that the states of leaders form the desired time-varying formation and at the same time the states of the followers converge to the convex hull spanned by those of the leaders. Formation-containment control provides a unified framework for formation control and containment control, and has potential applications in the cooperative source seeking, load transportation, and surveillance. Although formation control and containment control problems have been studied a lot, the formation-containment control problem for multi-UAV system is still open and challenging. This paper proposed a distributed formation-containment protocol for the multi-UAV system using local neighboring information. Sufficient conditions for multi-UAV systems to achieve formation-containment are presented. It is proven that the states of followers not only converge to the convex hull formed by those of leaders but also keep certain formation specified by the convex combination of the formation for the leaders. An approach to design the formation-containment protocol is given. A remarkable point for this paper is that the obtained results are demonstrated by practical experiments with five quadrotor UAVs.

Cooperative guidance problems with impact time consensus and time-varying line-of-sight (LOS) formation for the fixed-wing unmanned aerial vehicle (UAV) swarm under actuator faults are studied. First, an axial and normal controllable guidance model is established along with an expression of the actuator fault model. Second, an observer-based fixed-time cooperative guidance law is proposed to achieve impact time consensus and LOS formation within a predetermined time. Third, the adaptive gains are proposed to deal with the coupling effect of the target maneuver and unknown actuator faults. In addition, the convergence of the proposed cooperative guidance law is analyzed using Lyapunov theories. Finally, a multiple fixed-wing UAV guidance experimental platform consisting of three fixed-wing UAVs is constructed. The adaptive fixed-time fault-tolerant cooperative guidance law is applied on the experimental platform and well verified in the practical application.