[發明專利]基于極限環的四旋翼空間圓形編隊解耦控制方法

在審

• 申請號: 202010501096.5
• 申請日: 2020-06-04
• 公開（公告）號: CN111506117A
• 公開（公告）日: 2020-08-07
• 發明（設計）人: 徐偉;蔡晨曉;萬鏵;瞿余成
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10;G05D1/04;G05D1/08
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 陳鵬

1.一種基于極限環的四旋翼空間圓形編隊解耦控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、建立四旋翼數學模型，包括轉矩方程、動態模型和姿態角解算方程；

步驟2、構建四旋翼編隊系統感知拓撲結構及隊形，設計四旋翼空間圓形編隊控制器的單積分模型；

步驟3、設計高度控制器，采用基于偏差控制的PID控制器，控制四旋翼編隊在期望的高度進行編隊飛行；

步驟4、設計圓形匯聚控制器，采用具有穩定極限環的振蕩器，控制四旋翼編隊進行水平方向的圓形匯聚盤旋；

步驟5、設計間距布局控制器，采用有限時間控制律，控制四旋翼個體之間間距，形成設定的圓形相對位置分布；

步驟6、設計避免碰撞控制器，采用人工勢場法，控制四旋翼編隊避免碰撞；

步驟7、設計一種空間圓形編隊控制器，由步驟3-5所述控制器組成的分布式控制器，再結合步驟6所述的避免碰撞控制器形成；通過空間圓形編隊控制器得到相對于目標圓心的目標速度，利用機體坐標系加速度轉換公式轉換為大地坐標系下的目標加速度，再進行姿態反解得到目標歐拉角，包括四旋翼的橫滾角和俯仰角θ。

2.根據權利要求1所述的基于極限環的四旋翼空間圓形編隊解耦控制方法，其特征在于，步驟1所述的建立四旋翼數學模型，具體包括以下步驟:

步驟1.1、建立四旋翼轉矩方程如下：

其中，τ_x、τ_y和τ_z為四旋翼繞x、y和z軸方向上的轉矩，C_T為旋翼升力系數；l為四旋翼質心到旋翼轉軸的距離；ω_i為第i號電機的轉速，i＝1,2,3,4；C_D為旋翼阻力系數；

步驟1.2、建立四旋翼動態模型如下：

式中，x_e、y_e、z_e為四旋翼在大地坐標系下的位置；為大地坐標系下的加速度，F_sum＝C_T(ω₁²+ω₂²+ω₃²+ω₄²)為四個螺旋槳的總拉力；m為單架四旋翼的總質量；θ、ψ為四旋翼的橫滾角、俯仰角和偏航角；為橫滾角、俯仰角和偏航角的角速度，為橫滾角、俯仰角和偏航角的角加速度，g為重力加速度；I_x、I_y、I_z為四旋翼繞x、y、z軸的轉動慣量；

步驟1.3、建立姿態角解算方程，首先將大地坐標系下的加速度和的轉換為機體坐標系下的加速度和

然后由式2、式3可得機體坐標系下的目標歐拉角的求解公式：

其中，ψ為測量出的偏航角。