基于四旋翼飞行器的无人机编队飞行控制方法技术

本发明专利技术公开了旋翼飞行器的无人机编队飞行控制方法，随机选定其中一个四旋翼为领航者，其余四轴则都是跟随者，跟随者与领航者之间保持着一定的距离与角度，设定在惯性坐标系下的动态方程并然后定义系统误差为，在编队中，首先要给领航者设定一个飞行轨迹，领航者跟踪组成既定轨迹的动点，跟随者的位置是由它与领航者之间的期望相对间距与角度确定，为了让编队中无人机的队形保持稳定，就要服从编队一致性定理，四旋翼编队飞行中保持队形的稳定性的首要条件就是保证每个四旋翼的飞行航向是一样的，在这一前提下，通过调整它们之间横向、纵向的相对距离，使被控的状态参数都趋于一致，实现所需队形。本发明专利技术的有益效果是具有良好的编队控制效果。

UAV formation flying control method based on four rotor aircraft

The invention discloses a flight control method for an unmanned aerial vehicle formation, in which one of the four rotors is randomly selected as the pilot and the other four axes are all followers. A certain distance and angle are maintained between the follower and the pilot, the dynamic equation set in the inertial coordinate system is defined, and the system error is defined. In order to keep the formation of unmanned aerial vehicles stable, it is necessary to obey the formation consistency theorem. The first condition to maintain the stability of the formation is to ensure that the flight course of each Four-rotor is the same. On this premise, by adjusting the relative distances between them, the controlled state parameters tend to be consistent and the desired formation is achieved. The beneficial effect of the invention is good formation control effect.

【技术实现步骤摘要】
基于四旋翼飞行器的无人机编队飞行控制方法
本专利技术属于无人机
，涉及基于四旋翼飞行器的无人机编队飞行控制方法。
技术介绍
四旋翼飞行器作为无人机的一种，是无人机领域一个重要的研究方向，有着体积小、造价低、机动灵活等诸多优势，因此世界各国都更加重视四旋翼的应用，同时也越来越受到学术界的关注。四旋翼无人机在飞行过程中通过自身的传感器获取周围环境信息传输给飞行控制器，通过控制四个无刷电机的转速就可以实现飞行控制，是一个不需要人为干预的自主飞行过程。四旋翼飞行器具有结构简单、易于操控、运行可靠、安全性高等特点，也可以携带各种拍摄、通讯等设备，有着很大的应用前景。四旋翼无人机整个体系结构较为简易，其组成部件主要有呈十字交叉的刚性支架、四个无刷电机、四个螺旋桨、飞行控制器、多种传感器和惯性测量元件、电池等。四轴的四个旋翼安设在十字刚性支架的四个顶点，在四个旋翼的顶端，均匀分布着四个电机，安设在同一条轴上的两个电机为一组，其旋转方向是相同的。其中1号和3号旋翼为一组，旋转方向是顺时针的；2号和4号旋翼为一组，其旋转方向是逆时针的。四旋翼的基本工作机制较为简单，若想实现其飞行姿态的转变以及飞行位置的调整，其关键就是改变四个旋翼的转动速度。显而易见，四旋翼飞行器的动力系统就只有四个电机就是它的四个执行机，那么它所要控制的输入对象也是四个，而四旋翼要在空间中实现对航向、高度、前后、左右、横滚、俯仰六个通道的支配，所以它是一个具有四输入、六输出的欠驱动系统，并且具有很强的耦合性和非线性。无人机编队控制的研究过程，是一个实践和理论相结合的过程。编队控制这个概念是专家学者通过长时间的研究分析生物群体的社会性现象有所启发，将生物的编队行为应用于飞行器上，使得它们可以以群体的方式完成规定的目标。目前，对于编队控制研究已经扩展到载人飞船、无人机、卫星等领域。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供基于四旋翼飞行器的无人机编队飞行控制方法，本专利技术的有益效果是具有良好的编队控制效果。本专利技术所采用的技术方案是按照以下步骤进行：步骤1、随机选定其中一个四旋翼为领航者(Leader，以下公式中用L表示)，其余四轴则都是跟随者(Follower，以下公式中用F表示)，跟随者与领航者之间保持着一定的距离与角度，在惯性坐标系下的动态方程：式中——分别为四旋翼横、纵坐标的一阶导数；vix,viy——分别为四旋翼飞行速度在x,y轴的分量；ψi——四旋翼的偏航角；ωi——四旋翼的偏航角角速度；步骤2、l代表编队中四旋翼之间的期望相对间距，代表四旋翼之间的期望相对角度，在领航者坐标系下，l存在以下关系：式中lx——l在x轴的投影；ly——l在y轴的投影；ψL——领航者的偏航角；(xL,yL)——领航者的位置坐标；(xF,yF)——跟随者的位置坐标；且有：步骤3、将式(2)中lx，ly对时间t求导，代入式(1)得到：式中lx,ly——分别为l在x,y轴的投影；——l的一阶导数；ψL——领航者的偏航角；ωL——领航者的偏航角角速度；(xL,yL)——领航者的位置坐标；(xF,yF)——跟随者的位置坐标；vLx,vLy——分别为领航者飞行速度在x,y轴的分量；然后定义系统误差为：式中eψ——方向误差；ex,ey——编队位置误差；ψL——领航者的偏航角；ψF——跟随者的偏航角；——在领航者坐标系下，在x,y方向上Follower与Leader的期望距离；编队前设定的期望距离l和期望角度是常量，所以对系统误差进行一阶微分运算后得到：式中ex,ey——编队位置误差；eψ——方向误差；l——编队中四旋翼之间的期望相对间距；——四旋翼之间的期望相对角度；ωL,ωF——分别为领航者与跟随者的偏航角角速度；vL,vF——分别为领航者和领航者的飞行速度；步骤4、在编队中，首先要给领航者设定一个飞行轨迹，领航者跟踪组成既定轨迹的动点，跟随者的位置是由它与领航者之间的期望相对间距与角度确定的，以下给出跟随者的跟踪期望数学表达式：式中(xL,yL)——领航者的位置坐标；——跟随者的期望位置坐标；lx,ly——分别为l在x,y轴的投影；ψL——领航者的偏航角；——跟随者的期望偏航角；ψd——领航者与跟随者的偏航角误差；为了让编队中无人机的队形保持稳定，就要服从编队一致性定理：式中(x,y)——四旋翼的位置坐标；lx,ly——分别为l在x,y轴的投影；ψ——四旋翼的偏航角；ψd——领航者与跟随者的偏航角误差；四旋翼编队飞行中保持队形的稳定性的首要条件就是保证每个四旋翼的飞行航向是一样的，即满足航向角的一致性ψi→ψd，在这一前提下，通过调整它们之间横向、纵向的相对距离，使被控的状态参数都趋于一致，实现所需队形。附图说明图1是领航-跟随法的平面示意图；图2是领航者与跟随者的航向角曲线；图3是领航者与跟随者的速度曲线。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术进行详细说明。要完成多个四旋翼的编队控制，其本质就是要使两个或者多个四旋翼之间相互联系，相互关联，然后再使用编队控制器来实现飞行要求，完成既定任务，并且要时刻保持飞行编队的有序与稳定。编队中每个四旋翼的方位及航姿信息必然与既定的期望值存在一定的误差，需要通过控制输入量，继而补偿给编队控制器所控制的各个四旋翼。通过指令的发送，保持四旋翼队列的稳定性，使得每一个空间飞行器能够在其固定的位置上，沿着期望的运动轨迹进行跟踪。本专利技术采用领航-跟随编队控制算法，在编队过程中，跟随者需要采取一定的控制策略跟随领航者运动。本专利技术随机选定其中一个四旋翼为领航者，其余四轴则都是跟随者。跟随者与领航者之间保持着一定的距离与角度，要想使四旋翼编队队形保持稳定，就要随时调整它们之间的距离和方向夹角。本专利技术通过空间运动模型来定义四旋翼编队的位置信息，简化了传统编队的复杂性，通过四轴的航向角即(x,y,z,ψ)参数(x,y,z分别为四旋翼在三维坐标系中所对应的坐标值；ψ为四旋翼的偏航角)来确定整个四旋翼编队的位置和各个四旋翼之间的航向角和距离。为了简化问题，假设在编队飞行中四旋翼飞行器的飞行高度是固定且一致的，图1给出了两架四旋翼的编队示意图。接下来就以两个四轴在同一高度的运动为例，分析它们在二维空间的运动问题。本专利技术给出在惯性坐标系下的动态方程：式中——分别为四旋翼横、纵坐标的一阶导数；vix,viy——分别为四旋翼飞行速度在x,y轴的分量；ψi——四旋翼的偏航角；ωi——四旋翼的偏航角角速度。本专利技术的控制目标是让跟随者与领航者保持一个距离常量l和一个角度常量l代表编队中四旋翼之间的期望相对间距，代表四旋翼之间的期望相对角度，在领航者坐标系下，l存在以下关系：式中lx——l在x轴的投影；ly——l在y轴的投影；ψL——领航者的偏航角；(xL,yL)——领航者的位置坐标；(xF,yF)——跟随者的位置坐标。且有：将式(2)中lx，ly对时间t求导，代入式(1)得到：式中lx,ly——分别为l在x,y轴的投影；——l的一阶导数；ψL——领航者的偏航角；ωL——领航者的偏航角角速度；(xL,yL)——领航者的位置坐标；(xF,yF)——跟随者的位置坐标；vLx,vLy——分别为领航者飞行速度在x,y轴的分量。然后定义系统误差为：式中eψ——方向误差；ex,ey—本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于四旋翼飞行器的无人机编队飞行控制方法，其特征在于按照以下步骤进行：步骤1、随机选定其中一个四旋翼为领航者，其余四轴则都是跟随者，跟随者与领航者之间保持着一定的距离与角度，在惯性坐标系下的动态方程：

【技术特征摘要】
1.基于四旋翼飞行器的无人机编队飞行控制方法，其特征在于按照以下步骤进行：步骤1、随机选定其中一个四旋翼为领航者，其余四轴则都是跟随者，跟随者与领航者之间保持着一定的距离与角度，在惯性坐标系下的动态方程：式中——分别为四旋翼横、纵坐标的一阶导数；vix,viy——分别为四旋翼飞行速度在x,y轴的分量；ψi——四旋翼的偏航角；ωi——四旋翼的偏航角角速度；L表示领航者，L表示跟随者；步骤2、l代表编队中四旋翼之间的期望相对间距，代表四旋翼之间的期望相对角度，在领航者坐标系下，l存在以下关系：式中lx——l在x轴的投影；ly——l在y轴的投影；ψL——领航者的偏航角；(xL,yL)——领航者的位置坐标；(xF,yF)——跟随者的位置坐标；且有：步骤3、将式(2)中lx，ly对时间t求导，代入式(1)得到：式中lx,ly——分别为l在x,y轴的投影；——l的一阶导数；ψL——领航者的偏航角；ωL——领航者的偏航角角速度；(xL,yL)——领航者的位置坐标；(xF,yF)——跟随者的位置坐标；vLx,vLy——分别为领航者飞行速度在x,y轴的分量；然后定义系统误差为：式中eψ——方向误差；ex,ey——编队位置误差；ψL——领航者的偏航角；ψF——跟随者的偏航角；——在领航者坐标系下，在x,y...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵景波，王代超，薛秉鑫，王众，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：山东,37