一种基于虚拟结构的多旋翼无人机编队一致性控制方法技术

本发明专利技术公开的属于旋翼无人机编队控制技术领域，具体为一种基于虚拟结构的多旋翼无人机编队一致性控制方法，包括以下操作步骤，S1：基于虚拟结构的多旋翼无人机的编队方法，步骤一：建立旋翼无人机的单机模型，步骤二：搭建编队空间相对运动模型，步骤三：根据步骤二设定虚拟点参考轨迹，步骤四：根据步骤二、步骤三和图6，满足R

【技术实现步骤摘要】
一种基于虚拟结构的多旋翼无人机编队一致性控制方法


[0001]本专利技术涉及旋翼无人机编队控制
，具体为一种基于虚拟结构的多旋翼无人机编队一致性控制方法。

技术介绍

[0002]编队队形控制是多旋翼无人机系统研究的核心问题，无人机在执行任务时需要保持一定的队形，或者需要在特定的时间进行队形的切换和重构，这依赖于可靠的编队控制策略，传统虚拟结构法的主要思想是将无人机编队系统的队形组成看作是刚性的虚拟结构，在无人机编队飞行运动期间，单个无人机个体可以看作是固定在虚拟结构上的固定位置上，一旦无人机编队队形发生改变，编队系统中的无人机个体直接跟踪保持虚拟结构上的固定坐标点就可以完成设定好的编队飞行巡检路线，无人机跟踪虚拟结构质点即可达到协同控制的目的，该方法能够很好的进行集群拓扑保持，相较于其他协同控制方法，虚拟结构法对队形约束最强，不过该方法很大程度上受限于形成的队形限制，不够方便，而无人机之间一致性编队控制，能够有效的解决这个问题，可使每个无人机位置和速度达到一致，从而实现一致性编队，然而，在虚拟结构法的基础上加入一致性编队控制，一方面是优化了分布式控制方法的编队系统飞行效果，另一方面则是即使编队无人机系统中的某个个体出现故障导致编队系统中的个体缺失，对系统整体的影响也较小，并可以实时的补充上其他无人机个体，让编队系统快速恢复正常的工作状态。
[0003]目前无人机编队主要有集中式控制方法、分布式控制方法、分散式控制方法这三种控制方式。其中，集中式控制方法的飞行效果较好，能做出科学的飞行决策和路线，但是不易实现，在无人机个体之间都需要进行多个通信，需要互相传递较为多的数据信息，对无人机个体的计算速度以及内存都要求比较高，数据量较大还会导致无人机产生丢失关键信息的问题，分布式控制方法中无人机编队系统中的个体只需要和领域的无人机进行通信，通信数据包以及通信链路都比较少，但飞行效果会差一些，分散式控制方法的编队系统计算量更小，但其带来的编队飞行效果是极差的，由于编队系统中的无人机个体不相互通信，可能会带来无人机之间的碰撞从而发生严重事故。
[0004]为此，我们提出一种基于虚拟结构的多旋翼无人机编队一致性控制方法。

技术实现思路

[0005]鉴于上述和/或现有一种基于虚拟结构的多旋翼无人机编队一致性控制方法中存在的问题，提出了本专利技术。
[0006]因此，本专利技术的目的是提供一种基于虚拟结构的多旋翼无人机编队一致性控制方法，通过结合旋翼无人机的单机运动模型和编队空间相对运动模型，通过二阶一致性算法表征多旋翼无人机之间信息传递的规则，再通过设置不同的相对位置设计的一致性编队的控制器，能够解决上述提出现有的问题。
[0007]为解决上述技术问题，根据本专利技术的一个方面，本专利技术提供了如下技术方案：
[0008]一种基于虚拟结构的多旋翼无人机编队一致性控制方法，其包括：以下操作步骤：
[0009]S1：基于虚拟结构的多旋翼无人机的编队方法：
[0010]步骤一：建立旋翼无人机的单机模型；
[0011]步骤二：搭建编队空间相对运动模型；
[0012]步骤三：根据步骤二设定虚拟点参考轨迹；
[0013]步骤四：根据步骤二、步骤三和图6，满足R
if
＝R
i
‑
R
f
，对其关于时间求导，并根据坐标系间转换关系投影到编队坐标系下；
[0014]步骤五：结合旋翼无人机的单机运动模型和编队空间相对运动模型，得出旋翼无人机编队飞行系统模型；
[0015]S2：一致性编队控制策略的实行：
[0016]步骤一：在无人机编队中利用信息拓扑进行信息交换；
[0017]步骤二：利用二阶一致性算法计分析编队飞行控制，令连续控制系统为：
[0018][0019]步骤三：制定多旋翼一致性编队飞行控制方案；
[0020]步骤四：由M架四旋翼组成编队，根据其之间的信息通信关系，把飞行编队建模为无向图G，无向图节点v
i
表示第i架四旋翼，信息流通方向是无人机之间的双向通信；
[0021]步骤五：设计拓扑结构G，并根据虚拟点v0的信息设计无人机v
i
的期望指令；
[0022]步骤六：在虚拟结构编队模式中，虚拟点位置为编队一致性算法的平衡点x
eif
＝x
if
‑
x
dif
，y
eif
＝y
if
‑
y
dif
,z
eif
＝z
if
‑
z
dif
为虚拟点与无人机的期望位置偏差为相对位置偏差，通过设置不同的相对位置即可设计出不同的编队形状，从而设计出一致性编队的控制器。
[0023]作为本专利技术所述的一种基于虚拟结构的多旋翼无人机编队一致性控制方法的一种优选方案，其中：所述S1的步骤一中旋翼无人机的单机运动模型为：
[0024][0025][0026]V
i
＝[V
xi
,V
yi
,V
zi
]T
。
[0027]作为本专利技术所述的一种基于虚拟结构的多旋翼无人机编队一致性控制方法的一种优选方案，其中：所述S1的步骤二中采用虚拟结构法定义编队构型，设置一个运动的虚拟点O
f
为原点定义编队坐标系O
f
x
f
y
f
z
f
，且x
f
轴沿虚拟点速度在水平面内的投影分量方向，z
f
轴垂直水平面向下，轴位于水平面内由右手定则确定。
[0028]作为本专利技术所述的一种基于虚拟结构的多旋翼无人机编队一致性控制方法的一种优选方案，其中：所述S1的步骤三中基于时间参数的方程给出：
[0029][0030]作为本专利技术所述的一种基于虚拟结构的多旋翼无人机编队一致性控制方法的一种优选方案，其中：所述S1步骤四中编队空间相对运动方程为：
[0031][0032]作为本专利技术所述的一种基于虚拟结构的多旋翼无人机编队一致性控制方法的一种优选方案，其中：所述旋翼无人机编队飞行系统模型为：
[0033][0034]作为本专利技术所述的一种基于虚拟结构的多旋翼无人机编队一致性控制方法的一种优选方案，其中：所述S2的步骤二中二阶一致性算法为：
[0035][0036]作为本专利技术所述的一种基于虚拟结构的多旋翼无人机编队一致性控制方法的一
种优选方案，其中：所述S2步骤四中节点v0表示虚拟点，其余节点表示无人机。
[0037]作为本专利技术所述的一种基于虚拟结构的多旋翼无人机编队一致性控制方法的一种优选方案，其中：所述S2步骤五中期望指令需满足|x
i
‑
x
d
|
→
0,|V
i
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟结构的多旋翼无人机编队一致性控制方法，其特征在于：包括以下操作步骤：S1：基于虚拟结构的多旋翼无人机的编队方法：步骤一：建立旋翼无人机的单机模型；步骤二：搭建编队空间相对运动模型；步骤三：根据步骤二设定虚拟点参考轨迹；步骤四：根据步骤二、步骤三和图6，满足R
if
＝R
i
‑
R
f
，对其关于时间求导，并根据坐标系间转换关系投影到编队坐标系下；步骤五：结合旋翼无人机的单机运动模型和编队空间相对运动模型，得出旋翼无人机编队飞行系统模型；S2：一致性编队控制策略的实行：步骤一：在无人机编队中利用信息拓扑进行信息交换；步骤二：利用二阶一致性算法计分析编队飞行控制，令连续控制系统为：步骤三：制定多旋翼一致性编队飞行控制方案；步骤四：由M架四旋翼组成编队，根据其之间的信息通信关系，把飞行编队建模为无向图G，无向图节点v
i
表示第i架四旋翼，信息流通方向是无人机之间的双向通信；步骤五：设计拓扑结构G，并根据虚拟点v0的信息设计无人机v
i
的期望指令；步骤六：在虚拟结构编队模式中，虚拟点位置为编队一致性算法的平衡点x
eif
＝x
if
‑
x
dif
，y
eif
＝y
if
‑
y
dif
,z
eif
＝z
if
‑
z
dif
为虚拟点与无人机的期望位置偏差为相对位置偏差，通过设置不同的相对位置即可设计出不同的编队形状，从而设计出一致性编队的控制器。2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟结构的多旋翼无人机编队一致性控制方法，其特征在于，所述S1的步骤一中旋翼无人机的单机运动模型为：
V
i
＝[V

【专利技术属性】
技术研发人员：吴鸣宇，杨艺，姚雪莲，杨军，陈灵峰，陈康，陈子强，倪闯，
申请(专利权)人：浙江东田科技有限公司，
类型：发明
国别省市：