一种无线速度反馈的四旋翼无人机分布式编队控制方法技术

本发明专利技术公开了一种无线速度反馈的四旋翼无人机分布式编队控制方法，首先构建一个在三维空间运动的若干四旋翼无人机组成的多机器人系统，并根据牛顿‑欧拉方程建立每个四旋翼无人机的动力学模型；其次，采用旋转矩阵表示四旋翼无人机的姿态，并将每个四旋翼无人机的动力学模型转换为新形式；接着，导出一个中间控制信号实现编队控制目标的同时，引入辅助系统以避免进行线速度测量；最后，将中间控制信号解码为推力和期望角速度后，设计每个四旋翼无人机的转矩输入以实现角速度跟踪；与现有技术相比，本发明专利技术所涉及的控制律(推力和转矩)均不取决于线速度矢量，即本发明专利技术所提出的分布式编队控制方法是实现无线速度的，无需线速度反馈。

【技术实现步骤摘要】
一种无线速度反馈的四旋翼无人机分布式编队控制方法
本专利技术属于四旋翼无人机的编队控制
，具体涉及一种无线速度反馈的四旋翼无人机的分布式编队控制方法。
技术介绍
近年来，四旋翼无人机在搜索和救援，监视和制图等领域得到广泛应用。在这些应用领域，相比单个四旋翼无人机，一组四旋翼无人机可以提供更高的效率、灵活性和冗余性，因此，多个四旋翼无人机如何以协调的方式执行相应任务，成了本领域技术人员一直研究的焦点。编队控制是多无人机运动协调中最基本的问题之一，旨在控制一组无人机以形成规定的几何形状。由于此类系统的复杂非线性动力学，一组四旋翼无人机的编队控制问题尤其具有挑战性。四旋翼无人机是一类欠驱动的机械系统，因为只有四个独立的输入而有六个自由度。四旋翼无人机的欠驱动和非线性耦合特征导致难以将针对线性多智能体系统开发的编队控制方案直接应用于此类系统。通常，此类系统的控制涉及内外环或级联控制结构，其中内环用于控制姿态动力学，外环用于控制平移动力学。目前，已经有很多学者对多机器人系统的编队控制进行了深入研究，并且一些工作特别研究了四旋翼编队问题。根据不同的标准，这些编队控制方法具有不同的分类。从控制结构的角度来看：现有的编队控制方法可以分为集中式方法和分散式方法。在集中式方法中，单个控制器将有关所有无人机的信息作为输入，并输出所有团队成员的动作。对于小型机队来说，集中编队控制可能是一个不错的策略。但是，集中化方法的主要问题是它们在实际实施中不可靠，最重要的是，集中化在考虑拥有大量机队时会涉及计算和分析复杂性。在分散式方法中，机队中每个成员都使用自己的控制器根据邻居的本地信息来决定要做什么。就结构重新配置的可靠性而言，分散式控制方案优于集中式控制方案。另外，从控制机制的角度来看，大致有三种典型的编队控制方法：基于行为的方法，虚拟结构方法和领导者跟随方法。四旋翼无人机控制器大多都是基于欧拉角表示的旋转动力学而开发的。尽管欧拉角表示本质上是直观的，但它们表现出固有的几何奇异性，即在姿态空间中存在无法用给定的欧拉角集表示的点。可以通过使用四元数的方向描述(称为四元数)来避免这种奇异问题，该四元数可用于描述所有可能的方向。尽管四元数不具有奇异性，但它们在表示角度时具有歧义性，这可能导致解旋现象。无论参数如何选择，所有参数化表示都无法全局且唯一地表示姿态集合。另外，当某些状态变量不可用于反馈时，四旋翼无人机的协调控制变得更具挑战性。尽管在当前与四旋翼无人机编队控制有关的大多数研究中，都依赖于全状态反馈的可用性，但是在缺乏线速度测量的情况下，相关研究工作极少。
技术实现思路
本专利技术的目的在于避免现有技术中的不足而提供一种无线速度反馈的四旋翼无人机的分布式编队控制方法，解决无线速度测量下分布式编队控制问题，其中旋转矩阵用于表示四旋翼姿态，以避免当使用参数化的姿态表示(如欧拉角和四元数)时任何奇异或模糊问题。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：提供一种无线速度反馈的四旋翼无人机的分布式编队控制方法，包括以下步骤：S1、构建一个在三维空间运动的若干四旋翼无人机组成的多机器人系统，并根据牛顿-欧拉方程建立每个四旋翼无人机的动力学模型；S2、采用旋转矩阵表示四旋翼无人机的姿态，并将每个四旋翼无人机的动力学模型转换为新形式；S3、导出一个中间控制信号实现编队控制目标的同时，引入辅助系统以避免进行线速度测量；S4、将中间控制信号解码为推力和期望角速度后，设计每个四旋翼无人机的转矩输入以实现角速度跟踪。作为进一步的改进，所述步骤S1中根据牛顿-欧拉方程建立的每个四旋翼无人机的动力学模型如下：式中，i表示四旋翼无人机的序号，pi和vi分别表示在惯性坐标系下每个四旋翼无人机的位置和线速度，为pi的一阶微分，为vi的一阶微分，Ri为从机体坐标系到惯性坐标系的旋转矩阵，为Ri的一阶微分，mi和Ji分别表示质量和惯性张量，g为恒定的重力加速度，ωi表示在机体坐标系下的角速度，为ωi的一阶微分，fi和τi分别是每个四旋翼无人机的推力和转矩，e3＝[0,0,1]T，符号S(ωi)表示与ωi相关的斜对称矩阵，且为实数集，是一组所有元素都属于的三元组。作为进一步的改进，所述步骤S2的具体内容如下：S21、将每个四旋翼无人机的动力学模型改写成如下形式：式中，为pi的二阶微分；S22、对式(2)进行时间微分：式中，为pi的三阶微分，为fi的一阶微分；S23、结合式(2)和(3)，设定存在一个正常数λ，则有：S24、将ωi表示为通过使用斜对称矩阵S(ωi)的结构，式(4)表示为：式中，ωi(1)、ωi(2)和ωi(3)分别表示角速度ωi的三个分量；S25、设定式(1)中每个四旋翼无人机的动力学模型转换成：作为进一步的改进，所述步骤S3分解为以下过程：S31、基于辅助系统中的辅助变量来设计中间控制信号为uid，并将该辅助变量的二阶信号关联到每个四旋翼无人机：式中，kpi、kdi、lpi和ldi是正增益，和为辅助变量，为αi的一阶微分，为βi的一阶微分，为αi的二阶微分，为βi的二阶微分，和均是待设计的附加输入；S32、定义ξi如下：ξi＝pi-αi-βi(10)S33、设定输入的和φi分别为：式中，ξij＝ξi-ξj-δij，ξj＝pj-αj-βj，j表示四旋翼无人机的序号且i≠j，δij表示第i个和第j个无人机之间期望的相对位置，aij表示第i个和第j个无人机之间通信网络的权值，aji表示第j个和第i个四旋翼无人机之间通信网络的权值，aij＝aji≥0，kψi、kvi均为正增益，是ψi的一阶微分，函数tanh(·)按元素定义；S34、使用辅助变量αi，定义uid表示为：式中，T表示矩阵转置，为Fi的一阶微分。作为进一步的改进，所述步骤S4中在将中间控制信号解码为推力和期望角速度后，设计每个四旋翼无人机的转矩输入以实现角速度跟踪，具体步骤如下：S41、将式(14)中表示的中间控制信号uid解码为每个四旋翼无人机的推力fi和期望角速度令其中，分别表示中间控制信号uid的三个分量，则满足：式中，分别表示期望角速度ωid的前两个分量；S42、推力fi通过如下动力学模型进行计算：S43、若fi≠0，则期望角速度ωid选择为：S44、记角速度误差式(7)变换成：S45、设计每个四旋翼无人机的转矩τi为：其中，kωi为一个正增益，为ωid的一阶微分；S46、Fi对时间一次求导，其表达式为：式中，为Fi的一阶微分；步骤S47、Fi对时间二次求导，其表达式为：式中，为Fi的一阶微分；步骤S48、通过以下可用信号明确获本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无线速度反馈的四旋翼无人机的分布式编队控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、构建一个在三维空间运动的若干四旋翼无人机组成的多机器人系统，并根据牛顿-欧拉方程建立每个四旋翼无人机的动力学模型；/nS2、采用旋转矩阵表示四旋翼无人机的姿态，并将每个四旋翼无人机的动力学模型转换为新形式；/nS3、导出一个中间控制信号实现编队控制目标的同时，引入辅助系统以避免进行线速度测量；/nS4、将中间控制信号解码为推力和期望角速度后，设计每个四旋翼无人机的转矩输入以实现角速度跟踪。/n

【技术特征摘要】
1.一种无线速度反馈的四旋翼无人机的分布式编队控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、构建一个在三维空间运动的若干四旋翼无人机组成的多机器人系统，并根据牛顿-欧拉方程建立每个四旋翼无人机的动力学模型；
S2、采用旋转矩阵表示四旋翼无人机的姿态，并将每个四旋翼无人机的动力学模型转换为新形式；
S3、导出一个中间控制信号实现编队控制目标的同时，引入辅助系统以避免进行线速度测量；
S4、将中间控制信号解码为推力和期望角速度后，设计每个四旋翼无人机的转矩输入以实现角速度跟踪。


2.根据权利要求1所述的无线速度反馈的四旋翼无人机的分布式编队控制方法，其特征在于，所述步骤S1中根据牛顿-欧拉方程建立的每个四旋翼无人机的动力学模型如下：



式中，i表示四旋翼无人机的序号，pi和vi分别表示在惯性坐标系下每个四旋翼无人机的位置和线速度，为pi的一阶微分，为vi的一阶微分，Ri为从机体坐标系到惯性坐标系的旋转矩阵，为Ri的一阶微分，mi和Ji分别表示质量和惯性张量，g为恒定的重力加速度，ωi表示在机体坐标系下的角速度，为ωi的一阶微分，fi和τi分别是每个四旋翼无人机的推力和转矩，e3＝[0,0,1]T，符号S(ωi)表示与ωi相关的斜对称矩阵，且为实数集，是一组所有元素都属于的三元组。


3.根据权利要求2所述的无线速度反馈的四旋翼无人机的分布式编队控制方法，其特征在于，所述步骤S2的具体内容如下：
S21、将每个四旋翼无人机的动力学模型改写成如下形式：



式中，为pi的二阶微分；
S22、对式(2)进行时间微分：



式中，为pi的三阶微分，为fi的一阶微分；
S23、结合式(2)和(3)，设定存在一个正常数λ，则有：



S24、将ωi表示为通过使用斜对称矩阵S(ωi)的结构，式(4)表示为：



式中，ωi(1)、ωi(2)和ωi(3)分别表示角速度ωi的三个分量；
S25、设定式(1)中每个四旋翼无人机的动力学模型转换成：








4.根据权利要求3所述的无线速度反馈的四旋翼无人机的分布式编队控制方法，其特征在于，所述步骤S3分解为以下过程：
S31、基于辅助系统中的辅助变量来设...

【专利技术属性】
技术研发人员：缪志强，鲁媛，王耀南，钟杭，张辉，刘理，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43