[發明專利]基于二階一致性和自抗擾的多四旋翼主從式協同編隊控制方法

有效

• 申請號: 201811244037.3
• 申請日: 2018-10-24
• 公開（公告）號: CN109324636B
• 公開（公告）日: 2021-08-20
• 發明（設計）人: 邵星靈;楊衛;曹志斌;劉寧
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源

本發明公開了一種基于二階一致性和自抗擾的多四旋翼主從式協同編隊控制方法。針對多四旋翼編隊飛行過程中幾何隊形生成、穩固保持和協同抗干擾問題，提出了一種可應對外部環境干擾和氣動參數不確定性的多四旋翼主從式協同編隊控制方法：首先，建立存在外部干擾的四旋翼運動學/動力學模型；其次，設計多四旋翼主從式通訊拓撲和編隊樣式以及領航者的位置和速度信息；然后，構造多四旋翼分布式位置保持控制器，為后續姿態控制器構造提供必要的期望指令；最后，構造基于自抗擾控制的多四旋翼姿態跟蹤控制器。所提編隊控制方法可以在局部智能體通信的前提下顯著改善四旋翼編隊系統的抗干擾能力，提升干擾環境下多四旋翼編隊幾何構型的穩固性。

技術領域

本發明涉及導航制導方向，多四旋翼編隊領域，具體為一種基于二階一致性和自抗擾的多四旋翼主從式協同編隊控制方法，主要應用于存在外部干擾以及參數不確定性的多四旋翼編隊任務。

背景技術

多四旋翼協同編隊指的是多四旋翼通過保持預定的空間幾何拓撲形態，借助全局或局部信息交互與共享，實現多旋翼系統的群體集聚行為，形成多智能體系統的協同超越能力，為執行單體所無法勝任的復雜性任務提供有效的解決方案。例如，多四旋翼可采用合理的編隊飛行替代士兵執行惡劣、危險環境下諸如目標偵查、敵情搜集等軍事任務，也可用于復雜山區地形環境人員搜救、礦產勘測等民用場合，可極大地彌補單體獲取環境信息不完整、時效性不足的弊端，具有重要的軍/民兩用研究價值與迫切的現實意義。

多四旋翼協同編隊控制作為多智能體系統協同控制理論的應用實例之一，與無人車、無人船等二自由度運動體編隊相比，在控制器構造與綜合方面更具挑戰性，表現在：(1)四旋翼本身為欠驅動、強非線性的多輸入多輸出六自由度系統，為保證編隊幾何隊形的穩固性，必須使得編隊飛行過程中各四旋翼的位置、速度等協調變量趨于一致。然而，目前多智能體一致性理論大多針對低階、線性等理想質點運動學模型展開，無法直接適用于多四旋翼編隊系統模型；(2)四旋翼的空氣動力學參數受限于缺乏相應測量儀器無法精確獲得，給模型帶來了較大參數不確定性。此外，四旋翼空間飛行過程中不可避免遭受外部未知風擾的影響，上述因素給四旋翼的編隊保持抗干擾控制器構造帶來了困難。因而，迫切需要在考慮編隊幾何構型約束和參數不確定性以及外部干擾的情況下，構造適用于四旋翼典型動力學特征并具有強魯棒性的多四旋翼協同編隊控制方法。

發明內容

本發明為了解決多四旋翼編隊飛行過程中幾何隊形生成、穩固保持和協同抗干擾的問題，基于領航者—跟隨者的協同控制策略，提供了一種基于二階一致性和自抗擾的多四旋翼主從式協同編隊控制方法。

本發明是通過如下技術方案來實現的：一種基于二階一致性和自抗擾的多四旋翼主從式協同編隊控制方法，包括如下步驟：

(1)建立存在外部干擾的四旋翼運動學/動力學模型；

(2)利用代數圖論知識，設計多四旋翼主從式通訊拓撲和編隊樣式以及領航者的位置和速度信息；

(3)針對步驟(1)中建立的四旋翼運動學模型和步驟(2)中的多四旋翼通訊拓撲和編隊樣式以及領航者的位置和速度信息，構造適用于主從式編隊任務且具有漸近收斂能力的多四旋翼分布式位置保持控制器，為后續姿態控制器構造提供期望指令；

(4)針對步驟(1)中建立的四旋翼動力學模型和步驟(3)生成的姿態期望指令，構造基于自抗擾控制的多四旋翼姿態跟蹤控制器。

本發明所提供的基于二階一致性和自抗擾的多四旋翼主從式協同編隊控制方法，具體為在四旋翼軌跡回路中引入二階一致性理論，結合代數圖論和通信拓撲，以領航者位置作為動態編隊的幾何中心，將多四旋翼期望幾何隊形生成和保持問題轉化為從機位置一致性跟蹤與領航者的相對位置偏差控制問題，從而構造具有漸近收斂能力的多四旋翼分布式位置保持控制器；對于姿態回路的參數不確定性和外部干擾，借鑒自抗擾控制思想，將參數不確定性和外部干擾視為集總擾動，采用擴張狀態觀測器對其進行在線觀測與補償，實現對于給定姿態的高精度跟蹤控制。