[發明專利]一種無線速度測量的四旋翼飛行機器人機動編隊控制方法

有效

• 申請號: 202010541478.0
• 申請日: 2020-06-15
• 公開（公告）號: CN111596690B
• 公開（公告）日: 2021-06-08
• 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

1.一種無線速度測量的四旋翼飛行機器人機動編隊控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、針對可在三維空間機動的多四旋翼飛行機器人系統，利用牛頓-歐拉方程建立每個四旋翼飛行機器人的動力學模型，每個四旋翼飛行機器人的動力學模型為：

式中，每個四旋翼飛行機器人的位姿定義在歐氏群SE(3)空間，其中，為在慣性坐標系下每個四旋翼飛行機器人位置，為實數集，是一組所有元素都屬于的三元組，R_i∈SO(3)表示每個四旋翼飛行機器人姿態，SO(3)表示三維旋轉群，i表示四旋翼飛行機器人的序號，為p_i的一階微分，v_i表示在慣性坐標系下每個四旋翼飛行機器人的線速度，為v_i的一階微分，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，表示與ω_i相關的斜對稱矩陣，f_i和τ_i分別是每個四旋翼飛行機器人的凈推力和體轉矩，矢量e₃＝[0,0,1]^T，且為實數集，是一組所有元素都屬于的三元組；

S2、基于輔助濾波信號發生器，引入若干輔助變量的二階信號以消除在多四旋翼飛行機器人編隊控制中對線速度測量的需求，具體步驟如下：

S21、將以下輔助變量的二階信號關聯到每個四旋翼飛行機器人：

其中，k_pi、k_di、l_pi和l_di均是正增益，和均為輔助變量，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，和是待設計的附加輸入矢量，函數tanh(·)按元素定義；

S22、定義ξ_i如下：

ξ_i＝p_i-α_i-β_i (5)

S23、定義輸入的和φ_i分別為：

其中，ξ_ij＝ξ_i-ξ_j-δ_ij，ξ_j＝p_j-α_j-β_j，a_ij表示第i個和第j個四旋翼飛行機器人之間通信網絡的權值，a_ji表示第j個和第i個四旋翼飛行機器人之間通信網絡的權值，a_ij＝a_ji≥0，k_ψi,k_vi為正增益，ψ_i表示由公式(8)產生的信號，是ψ_i的一階微分；

S24、使用輔助變量α_i，定義：

式中，為v_d的一階微分；

S3、基于幾何控制的方法，在歐氏群SE(3)上設計包括內外環級聯結構的非線性控制律，其中內環控制姿態動力學，外環協調每個四旋翼飛行機器人的平移動力學，以實現高機動編隊控制目標，具體步驟如下：

S31、設計中間控制信號F_i，令每個四旋翼飛行機器人的凈推力輸入如下：

f_i＝-m_iF_i^TR_ie₃ (11)

式中，T表示矩陣轉置；

S32、定義期望姿態R_id的第三個分量b_3id的表達式如下：

其中，||F_i||≠0；

S33、獲得的期望姿態R_id為：

R_id＝[b_2id×b_3id,b_2id,b_3id] (13)

其中，b_2id、b_3id分別表示期望姿態R_id的兩個分量，且b_2id表示為b_2id＝(b_3id×b_1id)/||b_3id×b_1id||，b_1id表示為期望姿態R_id的第一個分量，b_1id不平行于b_3id；

S34、在特殊正交組SO(3)上定義結構誤差函數為I表示三維單位矩陣，tr(·)表示矩陣的跡，并且定義SO(3)的切線空間上的姿態動力學和的誤差函數為：

其中，ω_id是由給定的期望角速度；

S35、設計每個四旋翼飛行機器人的體轉矩τ_i為：

其中，和為正控制增益，是ω_id的一階微分。

2.根據權利要求1所述的無線速度測量的四旋翼飛行機器人機動編隊控制方法，其特征在于，所述無線速度測量的四旋翼飛行機器人機動編隊控制方法基于動力學模型的控制目標是針對每個四旋翼飛行機器人設計凈推力f_i和體轉矩τ_i，滿足以下條件：

式中，j表示四旋翼飛行機器人的序號且i≠j，δ_ij表示第i個和第j個四旋翼飛行機器人之間期望的相對位置，δ_ij用于確定期望的編隊，v_d是編隊隊形的參考線速度。