[發明專利]基于事件觸發的四旋翼無人機一致性編隊控制方法

有效

• 申請號: 202010098006.2
• 申請日: 2020-02-17
• 公開（公告）號: CN111273688B
• 公開（公告）日: 2022-11-25
• 發明（設計）人: 劉尚;蔣國平;周映江;葛晟宇
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 成立珍

1.基于事件觸發的四旋翼無人機一致性編隊控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1)假設編隊中有n架參數相同的四旋翼無人機，n為大于1的正整數，對無人機進行受力分析，利用歐拉方程為每個四旋翼無人機建立位置子系統和姿態子系統的數學模型；

步驟2)針對位置子系統，為每個無人機設計基于事件觸發的虛擬控制器，并定義事件函數計算虛擬控制器值的更新時間；

步驟3)將位置子系統的虛擬控制器視為實際控制器的輸入目標，反解出每個無人機的設定姿態，并設計限定時間的姿態控制器，控制姿態角達到設定值；

步驟1)中，所述的數學模型中，無人機i的位置子系統模型如下：

上式中代數角標i＝1,2,…,n；i表示四旋翼無人機的編號；t是時間變量，單位為秒；三維空間中用x_i(t),y_i(t),z_i(t)描述無人機i的位置信息，單位為米；x_i”(t),y_i”(t),z_i”(t)是位置對時間的二階導數，物理含義是加速度，單位為米每秒的平方；θ_i,ψ_i是θ_i(t),ψ_i(t)的簡寫，分別表示無人機的俯仰、翻滾、偏航三個姿態角，單位為弧度；m表示無人機的質量，單位為千克；g為重力加速度，單位為米每秒的平方；F1_i為無人機i的第一個控制輸入，單位為牛頓；

步驟1)中，所述的數學模型中，每個無人機的位置子系統模型如下：

上式中J^x,J^y,J^z分別表示無人機繞x,y,z軸的轉動慣量，單位為千克米的平方；無人機i俯仰、翻滾、偏航姿態的角速度和角加速度分別用表示，加速度、角加速度單位分別為弧度每秒、弧度每秒的平方；F2_i,F3_i,F4_i為無人機i的第二個控制輸入、第三個控制輸入和第四個控制輸入，單位為牛頓；

步驟2)中，針對位置子系統，為每個無人機設計基于事件觸發的虛擬控制器，具體過程如下：

對于無人機i，將位置子系統輸入視為虛擬輸入，得到位置子系統模型為：

為無人機i在x,y,z方向的虛擬控制輸入；設計無人機i的虛擬控制輸入成如下形式：

公式(4)中j是無人機編號角標，取值范圍與i相同；為控制器參數；a_ij表示無人機i與j之間的通訊連接關系，若存在通訊連接a_ij＝1，否則a_ij＝0；t_k是虛擬控制器值第k次更新的時間點，k為大于等于零的整數，t₀＝0；

步驟2)中，所述的定義事件函數計算虛擬控制器值的更新時間，具體計算過程如下：首先定義向量X(t)＝[x₁(t),x₂(t),…,x_n(t)]^T，則X(t_k)＝[x₁(t_k),x₂(t_k),…,x_n(t_k)]^T；定義中間狀態向量和其中矩陣L＝D-A是矩陣A的Laplace矩陣；A是n維矩陣，第i行j列元素為a_ij；D是n維對角矩陣，第i行i列元素為非對角線上的元素皆為0；其次，定義x軸方向的事件函數F^x(t)：

其中ε^x,為事件函數的參數；參照W^x,E^x,F^x(t)形式，定義W^y,E^y,F^y(t)和W^z,E^z,F^z(t)；

最后，計算控制器值的更新時間t_k+1，計算公式如下：

步驟3)中，所述的將位置子系統的虛擬控制器視為實際控制器的輸入目標，反解出每個無人機的設定姿態，其具體過程如下：

根據公式(4)和公式(1)，對于無人機i＝1,2,…,n，實際控制器的目標如下：

式中，左邊F1_i為輸入，右邊為控制目標；

根據公式(7)中控制目標反解出的輸入為設定輸入，用表示；三個方程四個變量，選擇作為游離變量，并取得到其余設定值表達式如下：

步驟3)中，所述的設計限定時間的姿態控制器，其具體過程如下：定義中間狀態變量將中間變量帶入公式(2)，并定義虛擬控制輸入對無人機i的狀態變量Θ_i,Ψ_i設計控制器如下：

上式中Δ泛指狀態變量Θ,Ψ，其中函數*^h的定義為x^h＝|x|^h·sign(x)；sign(x)為標準符號函數，若x＞0則sign(x)＝1，若x＜0則sign(x)＝-1，若x＝0則sign(x)＝0；γ^Δ為控制器參數，調節收斂速度；函數最后取根據和F1_i反向運算，即得到無人機i的無人機i的第二個控制輸入、第三個控制輸入和第四個控制輸入分別為F2_i,F3_i,F4_i；在此控制輸入下，無人機i的姿態在限定時間內會跟隨上姿態的設定值，同時實現基于事件觸發的四旋翼無人機一致性編隊控制。