一种应用在无人机上的双机群控策略制造技术

本发明专利技术公开一种应用在无人机上的双机群控策略，随着科学技术的发展，越来越多的科研人员将目光关注到计算机算法上，一个优秀的算法可以很大程度上提高计算机的处理效率。在控制学领域，越来越多的优化算法在控制领域发挥了重要的作用。无人机由于其独特的模型，受到大量科研人员和航模爱好者的追捧与研究，近年来，无人机的集群控制越来越受到研究人员的重视，我们根据经典的四旋翼无人机的数学模型，采用了双闭环PD算法设计主从双机无人机集群控制系统，用Simulink进行了仿真，由于双闭环PD系统的良好的鲁棒性，克服了无人机的欠驱动特性，在仿真过程中，发现对于位置和姿态的控制有着良好的稳定性和动态特性。并将此算法应用于实际，有着良好的收益。

A dual computer group control strategy applied to UAV

The invention discloses a dual computer group control strategy applied to the UAV. With the development of science and technology, more and more researchers pay attention to the computer algorithm. An excellent algorithm can greatly improve the processing efficiency of the computer. In the field of control, more and more optimization algorithms play an important role in the field of control. Because of its unique model, UAV is sought after and researched by a large number of researchers and model enthusiasts. In recent years, the UAV cluster control has been paid more and more attention by researchers. According to the classic mathematical model of four rotor UAV, we design the master-slave UAV cluster control system with double closed-loop PD algorithm, and simulate it with Simulink The PD system has good robustness, which overcomes the under drive characteristics of UAV. In the simulation process, it is found that the control of position and attitude has good stability and dynamic characteristics. The algorithm is applied to practice and has good benefits.

【技术实现步骤摘要】
一种应用在无人机上的双机群控策略
本专利技术属于计算机技术与无人机结合的
，特别是涉及一种应用在无人机上的双机群控策略。
技术介绍
无人机是人们通过无线通讯设备和自动控制装置通讯控制不载人的飞机。英文简称UAV，最早在20世纪20年代出现，因其具备的独特功能性和世界科学技术的发展，无人机被广泛应用。无人机也被称作无人驾驶机器人，二战期间，无人机在应用于军事打击时取得了很重要的作用后，大量的研究人员和爱好者投入到无人机的研究中。在军事领域中，无人机的应用于军事打击、目标跟踪、侦查等，在民用领域中无人机被大量爱好者用于航拍，近年来国内外也开始应用无人机进行灭火、植保等。在无人机不断发展不断普及的情况下，美国、中国等国家相继制定诸多有关无人机的政策，例如无人机的实名登记政策等。今天在公园上空嗡嗡作响，对飞机造成干扰的四轴无人机其实早在1962年就申请了专利。PiaseckiAircraftCorporation的工程师EdwardG.Vanderlip最先设计了让直升机仪器在动力失效的情况下仍能继续工作的手段。当今社会越来越多的科技公司投入到无人机的研究中，无人机的集群控制更是今年来无人机领域的研究热点。国外的学者和专家对于无人机的研究以已有100多年之久，尤其是美国和以色列。其中内华达大学的专家，开发一架可以帮助患者行走的无人机。国内的大疆公司、小米公司等多家科技公司都已上市众多无人机产品。清华大学、北京航空航天大学等诸多高校也正对无人机做许多重点技术的研究。在集群控制的不断发展下，人们也渐渐将无人机表演当做一种环保且新奇的娱乐方式。由于无人机自身的特性，许多高校的学生都会选择用无人机作为研究对象，这也大大推动了无人机的发展。但无人机并不仅仅局限于现有，现今世界对无人机的研究仅仅只是一个开始，随着人类数量的增长，科技的发展，地球上可用的移动空间越来越小，无人机凭借其体型小且灵活的优势，可以在未来的生活中担任城市侦查、物流等任务。且就像无人汽车的发展一样，在未来的某一天，我们也终会乘坐无人驾驶飞机去旅行。由于无人机的不断发展和普及，越来越多的无人机爱好者不断开发拓展无人机的功能，无人机集群控制是近年来新兴的科技产业，无人机集群控制是通过群控算法在各个无人机相互通讯的情况下，由两个或多个无人机针对任务要求，保持某种姿态队形进行飞行，通过算法控制多架无人机协同飞行的技术。基于集群控制的无人机机群有着诸多的优势，包括：飞行耗能低，任务执行率高，高效率等。由于无人机飞行算法的不断完善和小型民用无人机的发展，越来越多的人开始研究无人机用于舞台灯光表演。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，设计一种应用在无人机上的双机群控策略，采用了双闭环PD算法设计主从双机无人机集群控制系统，用matlab进行了仿真，由于双闭环PD系统的良好的鲁棒性，克服了无人机的欠驱动特性，在仿真过程中，发现对于位置和姿态的控制有着良好的稳定性和动态特性。并将此算法应用于实际，有着良好的收益。本专利技术提供的无人机上的双机群控策略包括：1.旋转矩阵的推导：通过旋转矩阵建立无人机的姿态变化模型，采用[φ，θ，ψ]表示无人机的三个姿态的欧拉角度，分别代表翻滚角、俯仰角和偏航角。在二维平面中，如附图2所示在XOY平面中有一向量旋转φ度后变为根据附图可得：旋转φ度后写成矩阵形式：根据上述推导建立下列三维直角坐标系：如附图所示，以坐标系的三个坐标轴X，Y，Z分别作为旋转轴，则点实际上只在垂直坐标轴的平面上进行二维旋转。假设绕X轴旋转φ度，那么：旋转前：旋转后：则绕X轴旋转φ的旋转矩阵为同理可得Y轴、Z轴的旋转矩阵2.无人机的建模由上述旋转矩阵解出无人机完整的旋转矩阵：设无人机所受合力为F，其中包含无人机所受重力和四个电机为其提供的与重力相反的升力F1～F4。所以根据牛二律：令u1为高度z的控制规律u1＝F1+F2+F3+F4(11)那么将其展开，并加入空气阻力等其他扰动：3.位置控制器的设计由于四旋翼无人机具有六个自由度，但是无人机只有四个驱动电机，所以四旋翼无人机的控制变量较少，四旋翼无人机具有不可避免的欠驱动特性，所以我们无法对所有的自由度进行测量控制。在本文的研究中，我们选择跟踪无人机的位置和翻滚角，凭借位置和翻滚角的稳定控制来保证另外两个角度。假设在集群控制的主从系统中，主机位置确定，地面站向所有从机发送主机位置，并要求所有从机的位置距主机达到一个指定距离。我们假设控制目标：首先我们设计四旋翼无人机的位置控制系统：根据式(18)，我们定义：那么式(18)变成：针对X轴方向的位置系统，我们根据上述PID公式设计PD控制器。其中kpx为PID比例部分的参数，kdx为PID微分部分参数，x为位置误差，为位置误差的微分，下同。(由于我们设定x→0，所以误差为x-0＝x)那么：因为控制规律为二阶连续系统，我们可以使用劳斯判据或者用赫尔维兹稳定判据，鉴于后者计算比较方便，我们采用后者的稳定型判据来确定系统参数即：已知一个二系统：a2s2+a1s+a0＝0根据赫尔维兹稳定判据可得，当系统稳定时a0＞0，a1＞0，a2＞0，a1a0＞0那么公式(22)的参数范围为：kpx＞0，kdx+K1/m＞0我们取kpx＝5，kdx＝5。同理对于第二个位置系统u2x，我们同样设计PD控制系统其中根据赫尔维兹稳定判据可得，当系统稳定时，kpy＞0，kdy+K2/m＞0我们取kpy＝5，kdy＝5。第三个位置系统是竖直方向的位置控制系统，由于无人机受到重力影响，我们设计通过前馈控制的重力补偿PD控制系统：这里的ze是三维坐标系统Z轴上位置分量的误差。ze＝z-zd其中zd是期望值。那么同样根据赫尔维兹稳定判据可得，当系统稳定时，kpz＞0，我们取kpz＝5，kdz＝5；4.姿态控制器的设计为了满足上述位置控制器所要求的姿态角度θd和ψd(这里的角度是期望值)需要实际角对于期望角度进行跟踪。根据上式可得：由于上式可以变为：因为u1z＝u1cosφcosψ且所以我们可以得到：我们可以得到：这里如果公式(25)左边的绝对值超出1，那么θd将不存在，在实践中我们采用将等式左边的值用MATLAB函数进行归一化，但是会造成系统的姿态角度真实值失真，所以这里我们采用一种简单的限幅算法：我们取当X＞1时，我们取sinθd＝1即当X＜-1时，我们取sinθd＝-1即当|X|≤1时，有sinθd＝X那么：此时为了使公式(25)成立，我们可以将其写为这里ε1x，ε1y，ε1z为不定的实数值，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.第1，/n1.旋转矩阵的推导：/n通过旋转矩阵建立无人机的姿态变化模型，采用[φ，θ，ψ]表示无人机的三个姿态的欧拉角度，分别代表翻滚角、俯仰角和偏航角。在二维平面中，如附图2所示在XOY平面中有一向量

【技术特征摘要】
1.第1，
1.旋转矩阵的推导：
通过旋转矩阵建立无人机的姿态变化模型，采用[φ，θ，ψ]表示无人机的三个姿态的欧拉角度，分别代表翻滚角、俯仰角和偏航角。在二维平面中，如附图2所示在XOY平面中有一向量旋转φ度后变为
根据附图可得：旋转φ度后



写成矩阵形式：



根据上述推导建立下列三维直角坐标系：
如附图所示，以坐标系的三个坐标轴X，Y，Z分别作为旋转轴，则点实际上只在垂直坐标轴的平面上进行二维旋转。假设绕X轴旋转φ度，那么：



旋转前：



旋转后：



则绕X轴旋转φ的旋转矩阵为



同理可得Y轴、Z轴的旋转矩阵






第2，
2.无人机的建模
由上述旋转矩阵解出无人机完整的旋转矩阵：



设无人机所受合力为F，其中包含无人机所受重力和四个电机为其提供的与重力相反的升力F1～F4。所以根据牛二律：



令u1为高度z的控制规律
u1＝F1+F2+F3+F4(11)
那么



将其展开，并加入空气阻力等其他扰动：



第3，
3.位置控制器的设计
由于四旋翼无人机具有六个自由度，但是无人机只有四个驱动电机，所以四旋翼无人机的控制变量较少，四旋翼无人机具有不可避免的欠驱动特性，所以我们无法对所有的自由度进行测量控制。在本文的研究中，我们选择跟踪无人机的位置和翻滚角，凭借位置和翻滚角的稳定控制来保证另外两个角度。
假设在集群控制的主从系统中，主机位置确定，地面站向所有从机发送主机位置，并要求所有从机的位置距主机达到一个指定距离。我们假设控制目标：



首先我们设计四旋翼无人机的位置控制系统：
根据式(18)，我们定义：



那么式(18)变成：



针对X轴方向的位置系统，我们根据上述PID公式设计PD控制器。



其中kpx为PID比例部分的参数，kdx为PID微分部分参数，x为位置误差，为位置误差的微分，下同。(由于我们设定x→0，所以误差为x-0＝x)那么：



因为控制规律为二阶连续系统，我们可以使用劳斯判据或者用赫尔维兹稳定判据，鉴于后者计算比较方便，我们采用后者的稳定型判据来确定系统参数即：已知一个二系统：a2s2+a1s+a0＝0根据赫尔维兹稳定判据可...

【专利技术属性】
技术研发人员：张亮，张鸣阳，尹浩霖，章凡，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12