[發明專利]一種無線速度反饋的四旋翼無人機分布式編隊控制方法

有效

• 申請號: 202010541469.1
• 申請日: 2020-06-15
• 公開（公告）號: CN111522362B
• 公開（公告）日: 2021-05-07
• 發明（設計）人: 繆志強;魯媛;王耀南;鐘杭;張輝;劉理
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 長沙市護航專利代理事務所(特殊普通合伙) 43220
• 代理人: 莫曉齊

1.一種無線速度反饋的四旋翼無人機的分布式編隊控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、構建一個在三維空間運動的若干四旋翼無人機組成的多機器人系統，并根據牛頓-歐拉方程建立每個四旋翼無人機的動力學模型，每個四旋翼無人機的動力學模型如下：

式中，i表示四旋翼無人機的序號，p_i和v_i分別表示在慣性坐標系下每個四旋翼無人機的位置和線速度，為p_i的一階微分，為v_i的一階微分，R_i為從機體坐標系到慣性坐標系的旋轉矩陣，為R_i的一階微分，m_i和J_i分別表示質量和慣性張量，g為恒定的重力加速度，ω_i表示在機體坐標系下的角速度，為ω_i的一階微分，f_i和τ_i分別是每個四旋翼無人機的推力和轉矩，e₃＝[0,0,1]^T，符號S(ω_i)表示與ω_i相關的斜對稱矩陣，且為實數集，是一組所有元素都屬于的三元組；

S2、采用旋轉矩陣表示四旋翼無人機的姿態，并將每個四旋翼無人機的動力學模型轉換為新形式的動力學模型，其表達式為：

式中，為p_i的三階微分，λ為一個正常數，為p_i的二階微分，ω_i⁽¹⁾、ω_i⁽²⁾分別表示角速度ω_i的兩個分量；

S3、導出一個中間控制信號實現編隊控制目標的同時，引入輔助系統以避免進行線速度測量，所述步驟S3分解為以下過程：

S31、基于輔助系統中的輔助變量來設計中間控制信號為u_id，并將該輔助變量的二階信號關聯到每個四旋翼無人機：

式中，k_pi、k_di、l_pi和l_di是正增益，和為輔助變量，為α_i的一階微分，為β_i的一階微分，為α_i的二階微分，為β_i的二階微分，和均是待設計的附加輸入；

S32、定義ξ_i如下：

ξ_i＝p_i-α_i-β_i (10)

S33、設定輸入的和φ_i分別為：

式中，ξ_ij＝ξ_i-ξ_j-δ_ij，ξ_j＝p_j-α_j-β_j，j表示四旋翼無人機的序號且i≠j，δ_ij表示第i個和第j個四旋翼無人機之間期望的相對位置，a_ij表示第i個和第j個四旋翼無人機之間通信網絡的權值，a_ji表示第j個和第i個四旋翼無人機之間通信網絡的權值，a_ij＝a_ji≥0，k_ψi、k_vi均為正增益，ψ_i表示由公式(13)產生的信號，是ψ_i的一階微分，函數tanh(·)按元素定義；

S34、使用輔助變量α_i，定義u_id表示為：

式中，T表示矩陣轉置，為F_i的一階微分；

S4、將中間控制信號解碼為推力和期望角速度后，設計每個四旋翼無人機的轉矩輸入以實現角速度跟蹤，具體步驟如下：

S41、將式(14)中表示的中間控制信號u_id解碼為每個四旋翼無人機的推力f_i和期望角速度，令其中，分別表示中間控制信號u_id的三個分量，則滿足：

式中，分別表示期望角速度ω_id的前兩個分量；

S42、推力f_i通過如下動力學模型進行計算：

S43、若f_i≠0，則期望角速度ω_id選擇為：

S44、記角速度誤差式(7)變換成：

S45、設計每個四旋翼無人機的轉矩τ_i為：

其中，k_ωi為一個正增益，為ω_id的一階微分；

S46、F_i對時間一次求導，其表達式為：

式中，為F_i的一階微分；

步驟S47、F_i對時間二次求導，其表達式為：

式中，為F_i的一階微分；

步驟S48、通過以下可用信號明確獲得

式中，為的一階微分。

2.根據權利要求1所述的無線速度反饋的四旋翼無人機的分布式編隊控制方法，其特征在于，所述步驟S2的具體內容如下：

S21、將每個四旋翼無人機的動力學模型改寫成如下形式：

式中，為p_i的二階微分；

S22、對式(2)進行時間微分：

式中，為p_i的三階微分，為f_i的一階微分；

S23、結合式(2)和(3)，設定存在一個正常數λ，則有：

S24、將ω_i表示為通過使用斜對稱矩陣S(ω_i)的結構，式(4)表示為：

式中，ω_i⁽¹⁾、ω_i⁽²⁾和ω_i⁽³⁾分別表示角速度ω_i的三個分量；

S25、設定式(1)中每個四旋翼無人機的動力學模型轉換成：