[發(fā)明專利]基于極限環(huán)的四旋翼空間圓形編隊(duì)解耦控制方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010501096.5
• 申請日: 2020-06-04
• 公開（公告）號(hào): CN111506117A
• 公開（公告）日: 2020-08-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐偉;蔡晨曉;萬鏵;瞿余成
• 申請（專利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D1/10
• 分類號(hào): G05D1/10;G05D1/04;G05D1/08
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心 32203
• 代理人: 陳鵬

本發(fā)明公開了一種基于極限環(huán)的四旋翼空間圓形編隊(duì)解耦控制方法，包括：建立四旋翼數(shù)學(xué)模型；構(gòu)建四旋翼編隊(duì)系統(tǒng)感知拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及隊(duì)形；設(shè)計(jì)一種基于極限環(huán)的解耦控制器，將四旋翼空間圓形編隊(duì)控制解耦為高度控制、圓形收斂盤旋控制及個(gè)體間距調(diào)整控制，設(shè)計(jì)由高度控制器、圓形匯聚控制器、間距布局控制器和避免碰撞控制器組成的分布式控制器。本發(fā)明的空間圓形編隊(duì)解耦控制方法僅利用目標(biāo)圓心和相鄰四旋翼的位置信息，不僅可以在有限時(shí)間內(nèi)形成期望的空間圓形編隊(duì)分布，并且容錯(cuò)率和擴(kuò)展性都非常強(qiáng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于四旋翼編隊(duì)控制領(lǐng)域，尤其涉及一種基于極限環(huán)的四旋翼空間圓形編隊(duì)解耦控制方法。

背景技術(shù)

四旋翼編隊(duì)在各類實(shí)際應(yīng)用中有巨大潛力，較于單架次在高效性、魯棒性和覆蓋能力等方面更具有優(yōu)越性。圓形編隊(duì)是編隊(duì)控制中的常見隊(duì)形之一，例如在安全監(jiān)視、探測任務(wù)中，為了收集信息，需要在任務(wù)區(qū)域周圍形成一組探測圈。采用分布式控制時(shí)，四旋翼編隊(duì)間只能獲取部分相對信息，需要控制方式具有強(qiáng)大的容錯(cuò)率和擴(kuò)展性，使得相互協(xié)同成為一大難點(diǎn)。

近年來，振蕩器以其隨著時(shí)間推移逐漸趨于極限環(huán)的特性，在多智能體領(lǐng)域得到廣泛研究，文獻(xiàn)(Wang C,Xie G.Limit-cycle-based decoupled design of circleformation control with collision avoidance for anonymous agents in a plane[J].IEEE Transactions on Automatic Control,2017,62(12):6560-6567.)采用基于極限環(huán)的解耦設(shè)計(jì)方法，控制平面中的一組質(zhì)點(diǎn)形成平面圓形編隊(duì)。然而該算法僅能保證質(zhì)點(diǎn)的避免碰撞，未考慮機(jī)器人的實(shí)際大小；其次，該算法漸近實(shí)現(xiàn)圓形編隊(duì)分布，需要耗費(fèi)較多時(shí)間，且難以保證真實(shí)飛行時(shí)四旋翼能夠避免碰撞。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于極限環(huán)的四旋翼空間圓形編隊(duì)解耦控制方法，能夠避免碰撞且在有限時(shí)間內(nèi)快速完成四旋翼空間圓形編隊(duì)，同時(shí)滿足四旋翼空間圓形編隊(duì)對容錯(cuò)率和擴(kuò)展性的要求。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于極限環(huán)的四旋翼空間圓形編隊(duì)解耦控制方法，包括以下步驟：

步驟1、建立四旋翼數(shù)學(xué)模型，包括轉(zhuǎn)矩方程、動(dòng)態(tài)模型和姿態(tài)角解算方程；

步驟2、構(gòu)建四旋翼編隊(duì)系統(tǒng)感知拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及隊(duì)形，設(shè)計(jì)四旋翼空間圓形編隊(duì)控制器的單積分模型；

步驟3、設(shè)計(jì)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(duì)在期望的高度進(jìn)行編隊(duì)飛行；

步驟4、設(shè)計(jì)圓形匯聚控制器，采用具有穩(wěn)定極限環(huán)的振蕩器，控制四旋翼編隊(duì)進(jìn)行水平方向的圓形匯聚盤旋；

步驟5、設(shè)計(jì)間距布局控制器，采用有限時(shí)間控制律，控制四旋翼個(gè)體之間間距，形成設(shè)定的圓形相對位置分布；

步驟6、設(shè)計(jì)避免碰撞控制器，采用人工勢場法，控制四旋翼編隊(duì)避免碰撞；

步驟7、設(shè)計(jì)一種空間圓形編隊(duì)控制器，由步驟3-5所述控制器組成的分布式控制器，再結(jié)合步驟6所述的避免碰撞控制器形成；通過空間圓形編隊(duì)控制器得到相對于目標(biāo)圓心的目標(biāo)速度，利用機(jī)體坐標(biāo)系加速度轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)系下的目標(biāo)加速度，再進(jìn)行姿態(tài)反解得到目標(biāo)歐拉角，包括四旋翼的橫滾角和俯仰角θ。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)：(1)本發(fā)明將平面中的圓形編隊(duì)控制問題擴(kuò)展為三維空間的圓形編隊(duì)控制問題。(2)本發(fā)明設(shè)計(jì)有限時(shí)間控制律，加快形成圓形相對位置分布的過程，使其能于有限時(shí)間內(nèi)完成圓形分布，適用于實(shí)際的飛行編隊(duì)任務(wù)。(3)本發(fā)明設(shè)計(jì)避免碰撞控制器，在考慮四旋翼的實(shí)際大小前提下，保證四旋翼編隊(duì)在任務(wù)空間內(nèi)的安全。以滿足四旋翼編隊(duì)控制方式具有強(qiáng)大的容錯(cuò)率和擴(kuò)展性。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。