[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

本發明公開了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，先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；再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；最后，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；與現有技術相比，本發明所涉及的控制律(凈推力和體轉矩)均不取決于線速度矢量，即本發明所提出的四旋翼飛行機器人機動編隊控制方法是實現無線速度的，無需線速度測量。

技術領域

本發明主要涉及到四旋翼飛行機器人的編隊控制領域，特別涉及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。

背景技術

飛行機器人編隊控制由于其在搜救、偵察、監視和中繼通信等領域的廣泛應用而成為活躍的研究領域。四旋翼飛行機器人由于其結構簡單以及具有垂直起降能力而成為一種流行的飛行機器人研究平臺。由于四旋翼飛行機器人只有四個獨立的輸入而有六個自由度，因此四旋翼飛行機器人屬于欠驅動系統。四旋翼飛行機器人的欠驅動和非線性耦合特性導致難以控制其運動。在四旋翼飛行機器人編隊控制方面已經有一些研究，其編隊控制方法可以分為領導者跟隨方法、虛擬結構方法和基于行為的方法：在領導者跟隨的方法中，跟隨者需要跟蹤領導者，并相對于領導者保持所需的相對位置；在虛擬結構方法中，整個隊形被視為一個剛體，然后將期望的行為分配給虛擬結構，每個成員相對于虛擬結構控制其自己的行為；在基于行為的編隊控制中，為每個機器人規定了幾種期望的行為，并且每個機器人的控制動作是所有可能行為的控制權重平均值。由于上述所有編隊控制器都是基于歐拉角表示的旋轉動力學開發的，而歐拉角表示參在固有的幾何奇異性。通過使用四元數表示可以避免這種奇異問題，四元數表示可用于描述所有可能的方向。盡管四元數不具有奇異性，它們在表示姿態時存在歧義。因此，無論如何選擇參數，所有參數化都無法全局且唯一地表示一組姿態。出于在旋轉運動中全局且唯一地表示姿態的愿望驅使，直接用特殊正交群SO(3)表示姿態，避免了與Euler角(歐拉角)相關的奇異性或四元數的歧義。

另外，當某些狀態變量不可用于反饋時，四旋翼飛行機器人的協調控制變得更具挑戰性。當前與四旋翼飛行機器人編隊控制有關的大多數研究中，鑒于在線速度不可直接測量或難以測量的情況，基本都依賴于全部狀態信息可測，但下。

因此，設計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，解決沒有線性速度測量的分布編隊控制問題，成了本領域人員亟需解決的技術問題。

發明內容

本發明的目的在于避免現有技術中的不足而提供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，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，以避免任何角度表示的奇異或模糊問題，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，以實現編隊控制目標，同時能有效提高編隊系統的高機動性。

本發明的目的通過以下技術方案實現：提供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，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；

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；

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。