基于事件触发的四旋翼无人机一致性编队控制方法技术

本发明专利技术公开了基于事件触发的四旋翼无人机一致性编队控制方法，属于自动驾驶及控制技术领域，该方法包括如下步骤：首先，假设编队中有n架参数相同的四旋翼无人机(n为大于1的正整数)，对无人机进行受力分析，利用欧拉方程为每个四旋翼无人机建立位置子系统和姿态子系统的数学模型；然后，针对位置子系统，为每个无人机设计基于事件触发的虚拟控制器，并定义事件函数计算虚拟控制器值的更新时间；最后，将位置子系统的虚拟控制器视为实际控制器的输入目标，反解出每个无人机的设定姿态，并设计限定时间的姿态控制器，控制姿态角达到设定值。本发明专利技术实现了对四旋翼无人机编队的有效控制，并节约了无人机之间通讯量。

A consistent formation control method of four rotor UAV Based on event triggering

【技术实现步骤摘要】
基于事件触发的四旋翼无人机一致性编队控制方法
本专利技术属于自动驾驶及控制
，具体涉及基于事件触发的四旋翼无人机一致性编队控制方法。
技术介绍
四旋翼无人机具有尺寸小、速度快、可垂直升降、机动性强等优势，在军事、农业、消防电力等领域都有很好的应用。多无人机组成编队协同作业，可弥补单个无人机荷载有限的缺陷，极大提高四旋翼无人机的任务能力。但传统一致性编队控制算法随着无人机编队规模增大，无人机间通讯量呈指数上升，亟需一种新的控制算法，节约通讯资源且能实现四旋翼无人机的一致性编队控制。相比于传统周期采样控制，基于事件触发的控制更加的灵活且智能，控制信息的传输和更新仅在定义的“事件”被触发之后。事件触发算法极大的节约了网络的带宽和通讯资源，非常适合用于大规模一致性编队控制。因此，本专利技术公开了一种基于事件触发的四旋翼无人机一致性编队控制方法，弥补此方面的空缺。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的在于提供基于事件触发的四旋翼无人机一致性编队控制方法，针对编队控制时无人机间通讯量巨大的问题，设计事件触发控制器控制四旋翼无人机群。技术方案：为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：基于事件触发的四旋翼无人机一致性编队控制方法，包括以下步骤：步骤1)假设编队中有n架参数相同的四旋翼无人机，n为大于1的正整数，对无人机进行受力分析，利用欧拉方程为每个四旋翼无人机建立位置子系统和姿态子系统的数学模型；步骤2)针对位置子系统，为每个无人机设计基于事件触发的虚拟控制器，并定义事件函数计算虚拟控制器值的更新时间；步骤3)将位置子系统的虚拟控制器视为实际控制器的输入目标，反解出每个无人机的设定姿态，并设计限定时间的姿态控制器，控制姿态角达到设定值。进一步的，步骤1)中，所述的数学模型中，无人机i的位置子系统模型如下：上式中代数角标i＝1,2,···,n；i表示四旋翼无人机的编号；t是时间变量，单位为秒；三维空间中用xi(t),yi(t),zi(t)描述无人机i的位置信息，单位为米；xi”(t),yi”(t),zi”(t)是位置对时间的二阶导数，物理含义是加速度，单位为米每秒的平方；θi,ψi是θi(t),ψi(t)的简写，分别表示无人机的俯仰、翻滚、偏航三个姿态角，单位为弧度；m表示无人机的质量，单位为千克；g为重力加速度，单位为米每秒的平方；F1i为无人机i的第一个控制输入，单位为牛顿。进一步的，步骤1)中，所述的数学模型中，每个无人机的位置子系统模型如下：上式中Jx,Jy,Jz分别表示无人机绕x,y,z轴的转动惯量，单位为千克米的平方；无人机i俯仰、翻滚、偏航姿态的角速度和角加速度分别用θi',θi”,ψi',ψi”表示，加速度、角加速度单位分别为弧度每秒、弧度每秒的平方；F2i,F3i,F4i为无人机i的第二个控制输入、第三个控制输入和第四个控制输入，单位为牛顿。进一步的，步骤2)中，针对位置子系统，为每个无人机设计基于事件触发的虚拟控制器，具体过程如下：对于无人机i，将位置子系统输入视为虚拟输入，得到位置子系统模型为：为无人机i在x,y,z方向的虚拟控制输入；设计无人机i的虚拟控制输入成如下形式：公式(4)中j是无人机编号角标，取值范围与i相同；为控制器参数；aij表示无人机i与j之间的通讯连接关系，若存在通讯连接aij＝1，否则aij＝0；tk是虚拟控制器值第k次更新的时间点，k为大于等于零的整数，t0＝0。进一步的，步骤2)中，所述的定义事件函数计算虚拟控制器值的更新时间，具体计算过程如下：首先定义向量X(t)＝[x1(t),x2(t),···,xn(t)]T，则X(tk)＝[x1(tk),x2(tk),···,xn(tk)]T；定义中间状态向量和其中矩阵L＝D-A是矩阵A的Laplace矩阵；A是n维矩阵，第i行j列元素为aij；D是n维对角矩阵，第i行i列元素为非对角线上的元素皆为0；其次，定义x轴方向的事件函数Fx(t)：其中εx,为事件函数的参数。参照Wx,Ex,Fx(t)形式，定义Wy,Ey,Fy(t)和Wz,Ez,Fz(t)；最后，计算控制器值的更新时间tk+1，计算公式如下：进一步的，步骤3)中，所述的将位置子系统的虚拟控制器视为实际控制器的输入目标，反解出每个无人机的设定姿态，其具体过程如下：根据公式(4)和公式(1)，对于无人机i＝1,2,···,n，实际控制器的目标如下(左边θi,ψi,F1i为输入，右边为控制目标)：根据公式(7)中控制目标反解出的输入为设定输入，用表示；三个方程四个变量，选择作为游离变量，并取得到其余设定值表达式如下：进一步的，步骤3)中，所述的设计限定时间的姿态控制器，其具体过程如下：定义中间状态变量将中间变量带入公式(2)，并定义虚拟控制输入对无人机i的状态变量Θi,Ψi设计控制器如下：上式中Δ泛指状态变量Θ,Ψ，其中函数<*>h的定义为<x>h＝|x|h·sign(x)；sign(x)为标准符号函数，若x＞0则sign(x)＝1，若x＜0则sign(x)＝-1，若x＝0则sign(x)＝0；γΔ为控制器参数，可以调节收敛速度；函数最后取根据和F1i反向运算，即可得到无人机i的无人机i的第二个控制输入、第三个控制输入和第四个控制输入分别为F2i,F3i,F4i；在此控制输入下，无人机i的姿态在限定时间内会跟随上姿态的设定值，同时实现基于事件触发的四旋翼无人机一致性编队控制。有益效果：与现有技术相比，本专利技术的基于事件触发的四旋翼无人机一致性编队控制方法，通过假设编队中有n架参数相同的四旋翼无人机(n为大于1的正整数)，对无人机进行受力分析，利用欧拉方程为每个四旋翼无人机建立位置子系统和姿态子系统的数学模型；然后，针对位置子系统，为每个无人机设计基于事件触发的虚拟控制器，并定义事件函数计算虚拟控制器值的更新时间；最后，将位置子系统的虚拟控制器视为实际控制器的输入目标，反解出每个无人机的设定姿态，并设计限定时间的姿态控制器，控制姿态角达到设定值。本专利技术实现了对四旋翼无人机编队的有效控制，并节约了无人机之间通讯量。附图说明图1为单个无人机事件触发控制结构图；图2为四旋翼无人机状态量与坐标系的对应关系；图3为四旋翼无人机之间的拓扑通讯结构图；图4为基于事件触发的四旋翼无人机一致性编队控制效果图。具体实施方式为了更好地理解本专利技术专利的内容，下面结合附图和具体实施例来进一步说明本专利技术的技术方案。基于事件触发的四旋翼无人机一致性编队控制方法，包括以下步骤：步骤1)假设编队中有n架参数相同的四旋翼无人机，n为大于1的正整数，对无人机进行受力分析，利用欧拉方程为每个四旋翼无人机建立位置子系统和姿态子系统的数学模型；...

【技术保护点】
1.基于事件触发的四旋翼无人机一致性编队控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1)假设编队中有n架参数相同的四旋翼无人机，n为大于1的正整数，对无人机进行受力分析，利用欧拉方程为每个四旋翼无人机建立位置子系统和姿态子系统的数学模型；/n步骤2)针对位置子系统，为每个无人机设计基于事件触发的虚拟控制器，并定义事件函数计算虚拟控制器值的更新时间；/n步骤3)将位置子系统的虚拟控制器视为实际控制器的输入目标，反解出每个无人机的设定姿态，并设计限定时间的姿态控制器，控制姿态角达到设定值。/n

【技术特征摘要】
1.基于事件触发的四旋翼无人机一致性编队控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)假设编队中有n架参数相同的四旋翼无人机，n为大于1的正整数，对无人机进行受力分析，利用欧拉方程为每个四旋翼无人机建立位置子系统和姿态子系统的数学模型；
步骤2)针对位置子系统，为每个无人机设计基于事件触发的虚拟控制器，并定义事件函数计算虚拟控制器值的更新时间；
步骤3)将位置子系统的虚拟控制器视为实际控制器的输入目标，反解出每个无人机的设定姿态，并设计限定时间的姿态控制器，控制姿态角达到设定值。


2.如权利要求1所述基于事件触发的四旋翼无人机一致性编队控制方法，其特征在于，步骤1)中，所述的数学模型中，无人机i的位置子系统模型如下：



上式中代数角标i＝1,2,···,n；i表示四旋翼无人机的编号；t是时间变量，单位为秒；三维空间中用xi(t),yi(t),zi(t)描述无人机i的位置信息，单位为米；xi”(t),yi”(t),zi”(t)是位置对时间的二阶导数，物理含义是加速度，单位为米每秒的平方；θi,ψi是θi(t),ψi(t)的简写，分别表示无人机的俯仰、翻滚、偏航三个姿态角，单位为弧度；m表示无人机的质量，单位为千克；g为重力加速度，单位为米每秒的平方；F1i为无人机i的第一个控制输入，单位为牛顿。


3.如权利要求2所述基于事件触发的四旋翼无人机一致性编队控制方法，其特征在于，步骤1)中，所述的数学模型中，每个无人机的位置子系统模型如下：



上式中Jx,Jy,Jz分别表示无人机绕x,y,z轴的转动惯量，单位为千克米的平方；无人机i俯仰、翻滚、偏航姿态的角速度和角加速度分别用θi',θi”,ψi',ψi”表示，加速度、角加速度单位分别为弧度每秒、弧度每秒的平方；F2i,F3i,F4i为无人机i的第二个控制输入、第三个控制输入和第四个控制输入，单位为牛顿。


4.如权利要求3所述基于事件触发的四旋翼无人机一致性编队控制方法，其特征在于，步骤2)中，针对位置子系统，为每个无人机设计基于事件触发的虚拟控制器，具体过程如下：
对于无人机i，将位置子系统输入视为虚拟输入，得到位置子系统模型为：




为无人机i在x,y,z方向的虚拟控制输入；设计无人机i的虚拟控制输入成如下形式：



公式(4)中j是无人机编号角标，取值范围与i相同；为控制器参数；aij表示无人机i与j之间的通讯连接关系...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘尚，蒋国平，周映江，葛晟宇，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32