异构多无人机一致性控制方法技术

本发明专利技术公开了一种异构多无人机系统一致性控制方法，包括：将固定翼无人机的三维运动模型转化为一阶积分器系统，并将四旋翼无人机非线性数学模型转化为高阶积分器系统，将转化的积分器系统进行组合得到异构多无人机系统的数学模型；在固定有向拓扑结构下设计异构多无人机系统一致性控制协议，并确定系统在该协议下实现一致性的充要条件以及实现一致性时的收敛状态方程。本发明专利技术针对异构多无人机系统一致性控制协议设计与分析在固定有向拓扑结构下为异构多无人机系统设计三维空间上的一致性控制协议，更加符合实际工程应用的需要；在该协议下可以实现异构多无人机在三维空间上的一致性聚集并通过收敛方程可以知道无人机的收敛位置值。

【技术实现步骤摘要】
异构多无人机一致性控制方法
本专利技术涉及无人机编队控制领域，具体涉及一种异构多无人机一致性控制协议设计与分析。
技术介绍
无人机(UnmannedAerialVehicle，UAV)，也叫无人驾驶飞机，是一种机上无人驾驶、利用无线电遥控设备和自身程序控制装置操纵的航空飞行器。从结构上，无人机可以划分为固定翼无人机和旋翼类无人机。固定翼无人机通常将机翼固定在机体之上，其结构设计借鉴了已有大型飞机的空气动力学原理和设计经验，具备一定的滑翔能力，飞行距离远且飞行速度快；旋翼类无人机的直接动力来自于机体四周对称分布且旋转方向相反的成对旋翼，并通过电机改变各旋翼转速来完成飞行姿态调整和各种基本飞行动作。无人机的诸多优点决定了其广泛的应用范围：军用方面，它既能执行各种非杀伤性任务，又能执行各种软硬杀伤性任务，如侦察、监视、目标截获、攻击、通信中继等；民用方面，它在大气监测、交通监控、资源勘探、电力线路检测、森林防火等方面也具有广泛的应用前景。一致性编队控制，作为多智能体协同控制领域的一个重要分支，是指智能体利用与之通信的邻居智能体的状态信息更新自本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种异构多无人机系统一致性控制方法，其特征在于包括如下步骤：/n步骤S1，将固定翼无人机的三维运动模型转化为一阶积分器系统，并将简化后的四旋翼无人机非线性数学模型转化为两个四阶积分器系统和一个二阶积分器系统；/n步骤S2，在横侧向将固定翼无人机控制模型的一阶积分器和四旋翼无人机控制模型的四阶积分器组合，在纵向将固定翼无人机控制模型的一阶积分器和四旋翼无人机控制模型的二阶积分器组合，建立异构多无人机系统的数学模型；/n步骤S3，在建立的异构多无人机系统的数据模型基础上，为异构多无人机系统设计三维空间上的一致性控制协议，通过模型变换将异构多无人机系统的一致性问题转化为了等价一阶系统的一致性问题...

【技术特征摘要】
1.一种异构多无人机系统一致性控制方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤S1，将固定翼无人机的三维运动模型转化为一阶积分器系统，并将简化后的四旋翼无人机非线性数学模型转化为两个四阶积分器系统和一个二阶积分器系统；
步骤S2，在横侧向将固定翼无人机控制模型的一阶积分器和四旋翼无人机控制模型的四阶积分器组合，在纵向将固定翼无人机控制模型的一阶积分器和四旋翼无人机控制模型的二阶积分器组合，建立异构多无人机系统的数学模型；
步骤S3，在建立的异构多无人机系统的数据模型基础上，为异构多无人机系统设计三维空间上的一致性控制协议，通过模型变换将异构多无人机系统的一致性问题转化为了等价一阶系统的一致性问题，并将一阶一致性算法的收敛性分析结果拓展到高阶系统的一致性分析，确定系统实现一致性的充要条件以及实现一致性时的收敛状态方程；
步骤S4，选取合适的控制增益输入到异构多无人机系统一致性控制算法中，通过控制器执行所述一致性控制算法，将异构多无人机系统的数学模型的位置变量及其各阶导数输入到控制器中，产生控制输出，最终实现异构多无人机系统一致性控制。


2.根据权利要求1所述的一种异构多无人机系统一致性控制方法，其特征在于，步骤S1具体包括：
在横侧向平面内，将单架固定翼无人机的飞行运动模型转化为沿(x，y，z)轴方向上的三个一阶积分器系统，表达式如下：



其中u1u2和u3为控制输入，(x，y，z)为固定翼无人机前进方向上与中心点(xc，yc，，zc)距离为d的坐标；
将简化后的四旋翼无人机非线性数学模型转化为X方向、Y方向的四阶积分器系统和Z方向以及偏航角的二阶积分器系统，所述四阶积分器系统和所述二阶积分器系统相互之间无耦合；
所述四阶积分器系统的表达式如下：






所述二阶积分器系统的表达式如下：






其中，U1′＝cosφcosθU1/m-g、U2′＝-gU2/Ix、U3′＝gU3/Iy和U4′＝U4/Iz，其中m为四旋翼无人机的质量，g为重力加速度，r＝[xyz]T和为机体坐标系相对惯性坐标系的位置和姿态角，I＝diag(Ix，Iy，Iz)为转动惯量矩阵；括号中的数字代表各个状态量的k阶导数，其中k＝1，2，3；φ为横滚角，θ为俯仰角。


3.根据权利要求2所述的一种异构多无人机系统一致性控制方法，其特征在于，步骤2的方法如下：
选取n架无人机构成的异构多无人机系统，其中有m架四旋翼无人机和n-m架固定翼无人机，四旋翼无人机的索引属于集Γ1＝{1，…，m}，固定翼无人机的索引属于集Γ2＝{m+1，…，n}，每架无人机的数学模型均由简化后的线性子系统表示：
在横侧向将固定翼无人机控制模型的一阶积分器和四旋翼无人机控制模型的四阶积分器组合，表示如下：
在x轴方向上每架四旋翼无人机具有以下模型：



式中分别为第i架四旋翼无人机在x轴方向上的位置变量及其k阶导数，U′3i∈R为第i架四旋翼无人机在x轴方向上的控制输入；
在x轴方向上每架固定翼无人机模型描述如下：



式中xi∈R，u3i∈R分别为第i架固定翼无人机在x轴方向上的位置变量和控制输入；
在y轴方向上每架四旋翼无人机具有以下模型：



式中分别为第i架四旋翼无人机在y轴方向上的位置变量及其k阶导数，U′2i∈R为第i架四旋翼无人机在y轴方向上的控制输入；
在y轴方向上每架固定翼无人机模型描述如下：



式中yi∈R，u2i∈R分别为第i架固定翼无人机在y轴方向上的位置变量和控制输入；
在纵向将固定翼无人机控制模型的一阶积分器和四旋翼无人机控制模型的二阶积分器组合，表示如下：
在z轴方向上每架四旋翼无人机具有以下模型：



式中分别为第i架四旋翼无人机在z轴方向上的位置变量及速度变量，U′1i∈R为第i架四旋翼无人机在z轴方...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘蓉，张衡，卫强强，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，南京长空科技有限公司，南京浦口高新技术产业开发区管理委员会，
类型：发明
国别省市：江苏;32