无人飞行器编队的控制方法、装置及控制器制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种无人飞行器编队的控制方法、装置及控制器，涉及自动化控制技术领域，该方法包括：获取无人飞行器编队的当前位置数据和当前姿态数据；根据当前位置数据和预先设计的鲁棒位置控制器，确定垂直位置控制输入和期望姿态数据；根据当前姿态数据和期望姿态数据、以及预先设计的鲁棒姿态控制器，确定姿态控制输入；根据垂直位置控制输入和姿态控制输入，对无人飞行器编队进行控制；其中，鲁棒位置控制器和鲁棒姿态控制器均是基于图论、反步法和鲁棒补偿技术实现的。通过基于拓扑的图论方法提高了无人飞行器编队的一致性；通过鲁棒补偿方法提高了无人飞行器编队在飞行过程中鲁棒稳定性。

Control Method, Device and Controller of UAV Formation

The invention provides a control method, device and controller for formation of unmanned aerial vehicles, which relates to the technical field of automation control. The method includes acquiring current position data and current attitude data of formation of unmanned aerial vehicles, determining vertical position control according to current position data and pre-designed robust position controller. Control input and expected attitude data; determine attitude control input according to current and expected attitude data and pre-designed robust attitude controller; control formation of UAV based on vertical position control input and attitude control input; among them, robust position controller and robust attitude control The controller is based on graph theory, backstepping method and robust compensation technology. The consistency of UAV formation is improved by graph theory based on topology, and the robust stability of UAV formation in flight is improved by robust compensation method.

【技术实现步骤摘要】
无人飞行器编队的控制方法、装置及控制器
本专利技术涉及自动化控制
，尤其是涉及一种无人飞行器编队的控制方法、装置及控制器。
技术介绍
无人飞行器(UAV，UnmannedAerialVehicle)又称为无人机，可以作为空中平台。多无人飞行器系统的编队控制问题最近在机器人、航空航天和无线通信等领域引起了广泛关注。多架无人飞行器的使用可以减少单个空中平台所需的尺寸和复杂度，从而提高了效率。随着无人飞行器编队协作完成复杂任务的需求不断增加，飞行队形的鲁棒性是很重要的。无人飞行器编队的控制方法主要包括以下几种：行为策略方法、虚拟结构方法和领导者—跟随者方法。然而这三种方法都有各自的缺点，具体如下：行为策略方法的模型过于复杂，难以进行理论分析；基于虚拟结构的方法要求形成虚拟结构，需要了大量的通信和计算，限制了该方法的潜在应用规模；领导者—跟随者方法过分依赖领导者，领导者没有跟随者的明确反馈，不具有鲁棒性。因此，现有的控制方法都无法较好地解决无人飞行器编队的一致性问题。另外，每架无人飞行器都存在非线性、强耦合性和欠驱动等不确定性，并且在平移和旋转运动过程中存在外部扰动，这些不确定性和外部本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人飞行器编队的控制方法，其特征在于，包括：获取无人飞行器编队中的每架飞行器的当前位置数据和当前姿态数据；根据各架所述飞行器的当前位置数据和预先设计的鲁棒位置控制器，确定各架所述飞行器的垂直位置控制输入和期望姿态数据；根据每架所述飞行器的当前姿态数据和期望姿态数据、以及预先设计的鲁棒姿态控制器，确定每架所述飞行器的姿态控制输入；根据各架所述飞行器的所述垂直位置控制输入和所述姿态控制输入，对所述无人飞行器编队进行控制；其中，所述鲁棒位置控制器和所述鲁棒姿态控制器均是根据预先采用反步法建立的各架所述飞行器的动力学标称模型、所述无人飞行器编队中心的规定参考轨迹以及编队队形，基于图论和鲁棒补偿...

【技术特征摘要】
1.一种无人飞行器编队的控制方法，其特征在于，包括：获取无人飞行器编队中的每架飞行器的当前位置数据和当前姿态数据；根据各架所述飞行器的当前位置数据和预先设计的鲁棒位置控制器，确定各架所述飞行器的垂直位置控制输入和期望姿态数据；根据每架所述飞行器的当前姿态数据和期望姿态数据、以及预先设计的鲁棒姿态控制器，确定每架所述飞行器的姿态控制输入；根据各架所述飞行器的所述垂直位置控制输入和所述姿态控制输入，对所述无人飞行器编队进行控制；其中，所述鲁棒位置控制器和所述鲁棒姿态控制器均是根据预先采用反步法建立的各架所述飞行器的动力学标称模型、所述无人飞行器编队中心的规定参考轨迹以及编队队形，基于图论和鲁棒补偿器设计的。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：通过以下步骤设计所述鲁棒位置控制器和所述鲁棒姿态控制器：获取所述规定参考轨迹以及所述编队队形；采用反步法为每架所述飞行器建立的动力学标称模型，并通过引入干扰，得到与所述动力学标称模型对应的真实模型；基于图论确定所述无人飞行器编队的编队控制协议，所述编队控制协议包括用于模拟各架所述飞行器之间的信息交换的有向图以及虚拟领导者与各架所述飞行器之间的连接权重；根据所述规定参考轨迹、所述编队队形、所述真实模型和所述编队控制协议，并通过引入鲁棒补偿器来设计所述鲁棒位置控制器；根据由当前姿态数据和期望姿态数据定义的姿态误差，并通过引入鲁棒补偿器来设计所述鲁棒姿态控制器。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，编号为i的飞行器的动力学标称模型为：其中，pi表示编号为i的飞行器在地球惯性坐标系中的位置矢量，uzi表示编号为i的飞行器的垂直位置控制输入，uΘi表示编号为i的飞行器的姿态控制输入，mi表示编号为i的飞行器的质量，kfi、lci、kτi均表示编号为i的飞行器对应的飞行器参数，I3表示3×3单位矩阵，Ji表示编号为i的飞行器对应的惯性矩阵，Ri表示编号为i的飞行器对应的从载体坐标系到地球惯性坐标系的旋转矩阵，c3,3表示第三个元素为1、其他元素均为0的列向量，g表示重力加速度，表示编号为i的飞行器对应的科里奥利项，Θi表示编号为i的飞行器对应的三个欧拉角。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述真实模型为：其中，Fi表示编号为i的飞行器对应的待确定的虚拟位置控制输入，Δpi和ΔΘi分别表示编号为i的飞行器对应的等效位置干扰和等效姿态干扰。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据各架所述飞行器的当前位置数据和预先设计的鲁棒位置控制器，确定各架所述飞行器的垂直位置控制输入和期望姿态数据，包括：根据各架所述飞行器的当前位置数据、所述规定参考轨迹和所述编队队形，计算各架所述飞行器之间的位置误差以及所述无人飞行器编队的编队中心误差；将所述位置误差和所述编队中心误差输入所述鲁棒位置控制器，计算得到各架所述飞行器的垂直位置控制输入、俯仰角参考信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘昊，彭发醇，蔡国飙，刘德元，赵万兵，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11