一种多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多无人机分布式编队控制方法，包括以下步骤：1)对每架四旋翼无人机设计分布式有限时间状态观测器估计自身与领机的相对位置和相对速度信息；2)基于状态观测器的观测值，通过位置控制器控制无人机的位置和姿态跟踪上期望的位置；3)基于状态观测器的观测值，通过姿态控制器控制无人机的姿态修正为期望的姿态，实现无人机编队的稳定控制。基于本发明专利技术方法设计的控制器能够实现多架四旋翼无人机在有限时间内形成并保持稳定的编队队形，确保飞行控制系统具有更高的控制精度、更快的收敛速度和更强的鲁棒性，有效增强系统的控制性能。的控制性能。的控制性能。

【技术实现步骤摘要】
一种多无人机分布式编队控制方法


[0001]本专利技术涉及飞行器控制系统技术，尤其涉及一种多无人机分布式编队控制方法。

技术介绍

[0002]目前，针对多无人机的编队控制问题，采用的编队结构主要有集中式和分布式。
[0003]集中式的编队控制是指地面站收集所有无人机的状态信息，然后分别向每架无人机发送指令，来保持期望的编队构型，而各架无人机之间不进行通信。这种编队结构要求地面站根据任务要求和机群状态实时发送指令，而且当无人机无法获得地面站的指令时，会导致整个集中式结构的编队系统崩溃，从而导致编队任务无法继续进行。
[0004]分布式编队是指地面站只对机群的部分个体发送指令，无人机能选择与其他无人机进行通信，从而保持编队构型。在实现大规模编队时，这种编队结构可以大大降低多无人机系统的通信压力，且当任意一个编队成员出现问题或故障时，仍能保证编队控制系统的正常运行，从而极大增强了整个多无人机编队系统的鲁棒性。当分布式情况下无人机编队中仅有部分无人机可以直接获取领机状态信息的情况下，如何使多架无人机形成稳定的编队飞行是一个需要解决的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种多无人机分布式编队控制方法。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多无人机分布式编队控制方法，包括：
[0007]1)对每架四旋翼无人机设计分布式有限时间状态观测器估计自身与领机的相对位置和相对速度信息；
[0008]其中，状态观测器设计如下：
[0009]把无人机模型中的位置子系统写成如下形式：
[0010][0011][0012]式中，P
i
＝[x
i
,y
i
,z
i
]T
、V
i
＝[u
i
,v
i
,ω
i
]T
分别表示第i架无人机的位置和速度，m为无人机的质量；g为重力加速度，e3＝[0,0,1]T
，d
Vi
表示三个方向上的复合干扰，U
Ti
＝R(Θ)u
Ti
e3＝[U
Txi
,U
Tyi
,U
Tzi
]T
表示三个坐标轴方向上的虚拟控制输入；
[0013]位置子系统动力学式为如下形式：
[0014][0015]式中,U
xi
＝U
Txi
/m，U
yi
＝U
Tyi
/m，U
zi
＝U
Txi
/m
‑
g，设计如下形式的分布式有限时间状态观测器：
[0016][0017][0018]其中，ρ＝{x,y,z}，σ＝{u,v,w}，当ρ取值分别为x、y、z时，σ依次取值为u、v、w；分别为x
i
‑
x0、y
i
‑
y0、z
i
‑
z0的观测值；分别为u
i
‑
u0、v
i
‑
v0、w
i
‑
w0的观测值；和分别为P
i
‑
P0和V
i
‑
V0的观测值，a
ij
为的邻接矩阵中的元素；其中，λ0＞0，λ1＞0，λ3＞0，
[0019][0020][0021][0022]2)基于状态观测器的观测值，通过位置控制器控制无人机的位置和姿态跟踪上期望的位置；
[0023]3)基于状态观测器的观测值，通过姿态控制器控制无人机的姿态修正为期望的姿态，实现无人机编队的稳定控制。
[0024]按上述方案，所述步骤2)中，位置控制器设计如下：
[0025][0026][0027][0028]式中，η1＞η2＞0，0＜α1＜1，α2＝2α1/(1+α1)，χ(x)是连续有界函数且满足χ(x)x＞0,x≠0。
[0029]按上述方案，所述步骤3)中，姿态控制器设计如下：
[0030]第i架无人机期望的俯仰角θ
di
、滚转角φ
di
以及旋翼提供的升力分别为：
[0031][0032][0033][0034]式中，为第i架无人机的偏航角；g为重力加速度；
[0035]即第i架无人机的期望姿态角为，为第i架无人机期望的偏航角；
[0036]定义姿态角跟踪误差为：
[0037]e
Θi
＝Θ
i
‑
Θ
di
[0038]对其进行求导得：
[0039][0040]令e
Ωi
＝Π(Θ
i
)Ω
i
‑
Π(Θ
di
)Ω
di
，得到：
[0041][0042][0043]将模型中的姿态子系统
[0044][0045][0046]Θ＝[φ,θ,ψ]表示无人机的姿态，φ表示俯仰角，θ表示滚转角，ψ表示偏航角；Ω＝[p,q,r]T
表示姿态角速度；J＝diag(I
xx
,I
yy
,I
zz
)是飞行器惯性矩阵；τ表示控制转矩；d
V
＝[d
V1
,d
V2
,d
V3
]T
，d
Ω
＝[d
Ω1
,d
Ω2
,d
Ω3
]T
为模型中的复合干扰；转换矩阵Π(Θ)定义如下：
[0047][0048]代入，得到：
[0049][0050][0051]式中，
[0052][0053][0054]则姿态控制器的设计形式为：
[0055][0056]其中，η3＞η4＞0,0＜β1＜1,β2＝2β1/(1+β1)。
[0057]按上述方案，所述步骤3)中，姿态控制器为考虑姿态环干扰的姿态控制器，设计如
下：
[0058]姿态环干扰观测器：
[0059][0060]第i架四旋翼无人机期望的俯仰角θ
di
和滚转角φ
di
以及旋翼提供的升力分别为：
[0061][0062][0063][0064]式中，为第i架无人机的偏航角。由此可得第i架四旋翼无人机的期望姿态角为为第i架无人机的偏航角。由此可得第i架四旋翼无人机的期望姿态角为为第i架无人机期望的偏航角。
[0065]定义姿态角跟踪误差为：
[0066]e
Θi
＝Θ
i
‑
Θ
di
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多无人机分布式编队控制方法，其特征在于，包括：1)对每架四旋翼无人机设计分布式有限时间状态观测器估计自身与领机的相对位置和相对速度信息；其中，状态观测器设计如下：把无人机模型中的位置子系统写成如下形式：把无人机模型中的位置子系统写成如下形式：式中，P
i
＝[x
i
,y
i
,z
i
]
T
、V
i
＝[u
i
,v
i
,ω
i
]
T
分别表示第i架无人机的位置和速度，m为无人机的质量；g为重力加速度，e3＝[0,0,1]
T
，d
Vi
表示三个方向上的复合干扰，U
Ti
＝R(Θ)u
Ti
e3＝[U
Txi
,U
Tyi
,U
Tzi
]
T
表示三个坐标轴方向上的虚拟控制输入；位置子系统动力学式为如下形式：位置子系统动力学式为如下形式：位置子系统动力学式为如下形式：式中,U
xi
＝U
Txi
/m，U
yi
＝U
Tyi
/m，U
zi
＝U
Txi
/m
‑
g，设计如下形式的分布式有限时间状态观测器：测器：其中，ρ＝{x,y,z}，σ＝{u,v,w}，当ρ取值分别为x、y、z时，σ依次取值为u、v、w；分别为x
i
‑
x0、y
i
‑
y0、z
i
‑
z0的观测值；分别为u
i
‑
u0、v
i
‑
v0、w
i
‑
w0的观测值；和分别为P
i
‑
P0和V
i
‑
V0的观测值，a
ij
为的邻接矩阵中的元素；其中，λ0＞0，λ1＞0，λ3＞0，0，0，i＝1,2,
…
,n；
2)基于状态观测器的观测值，通过位置控制器控制无人机的位置和姿态跟踪上期望的位置；3)基于状态观测器的观测值，通过姿态控制器控制无人机的姿态修正为期望的姿态，实现无人机编队的稳定控制。2.根据权利要求1所述的一种多无人机分布式编队控制方法，其特征在于，所述步骤2)中，位置控制器设计如下：中，位置控制器设计如下：中，位置控制器设计如下：式中，η1＞η2＞0，0＜α1＜1，α2＝2α1/(1+α1)，χ(x)是连续有界函数且满足χ(x)x＞0,x≠0。3.根据权利要求1所述的一种多无人机分布式编队控制方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨闯，郭政业，王剑波，许嘉，雷宜安，
申请(专利权)人：中国舰船研究设计中心，
类型：发明
国别省市：