[發(fā)明專利]一種基于干擾觀測器的四旋翼無人機(jī)集群抗干擾編隊控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010801729.4
• 申請日: 2020-08-11
• 公開（公告）號: CN111766899B
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 余翔;郭克信;劉偲;張霄;郭雷
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 張乾楨;賈玉忠

本發(fā)明涉及一種基于干擾觀測器的四旋翼無人機(jī)集群抗干擾編隊控制方法，包括以下步驟：步驟一，構(gòu)建含外力擾動的單體四旋翼耦合動力學(xué)模型；步驟二，建立針對無人機(jī)所受外界風(fēng)產(chǎn)生的力矩擾動的干擾觀測器；然后，根據(jù)干擾觀測器估計擾動值；步驟三，根據(jù)干擾觀測器估計的無人機(jī)領(lǐng)機(jī)x軸與y軸的擾動值，估計出風(fēng)擾的方向，設(shè)計四旋翼抗干擾控制律；步驟四，根據(jù)領(lǐng)機(jī)估計的風(fēng)擾方向，在遇到外界擾動時，四旋翼集群的隊形保持I字型，設(shè)計四旋翼集群抗干擾編隊控制律，實現(xiàn)無人機(jī)集群編隊的抗干擾控制。本方法能夠顯著提升單體無人機(jī)的軌跡控制精度，另外減小無人機(jī)集群受到的外界風(fēng)擾，降低單體無人機(jī)的擾動補(bǔ)償，達(dá)到節(jié)省能量的目的。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于干擾觀測器的四旋翼無人機(jī)集群抗干擾編隊控制方法，適用于無人機(jī)集群在外界風(fēng)擾時變的任務(wù)執(zhí)行場景，屬于無人機(jī)集群抗干擾控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)

近年來隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，其任務(wù)復(fù)雜度越來越大，多無人機(jī)集群任務(wù)的需求也越來越大，要求無人機(jī)集群能夠?qū)崿F(xiàn)快速編隊控制。此外，隨著無人機(jī)集群任務(wù)場景日益復(fù)雜，集群通訊條件變得更加苛刻，需要具備一定抗干擾能力的通信設(shè)備；無人機(jī)集群的任務(wù)執(zhí)行場景復(fù)雜，為了避免集群中無人機(jī)的碰撞，以及快速形成特定的編隊隊形，對于集群編隊的控制精度要求較高；此外，對于無人機(jī)來說，外界擾動主要由風(fēng)力產(chǎn)生，風(fēng)力作用于四旋翼的旋轉(zhuǎn)軸，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，風(fēng)力較弱時，四旋翼的軌跡跟蹤精度受到影響，風(fēng)力較大時，四旋翼發(fā)生傾覆，最終導(dǎo)致集群的損毀，因此，需要進(jìn)一步考慮四旋翼無人機(jī)的抗干擾控制問題。

專利申請?zhí)枮?01911029214.0中提出了一種無人機(jī)集群編隊控制方法、裝置及儲存介質(zhì)，解決了現(xiàn)有無人機(jī)集群編隊控制方法難以控制無人機(jī)集群按照一般封閉式曲線路徑飛行的問題，但存在兩個問題：(1)該專利并沒有分析外界擾動對集群的影響；(2)未提出相應(yīng)的集群抗擾動算法，實際使用會受到一定限制。專利申請?zhí)枮?01811244037.3中提出了一種基于二階一致性和自抗擾的多四旋翼主從式協(xié)同編隊控制方法，其中提出的方法存在如下問題：(1)缺少對外界擾動的分析，無法主動應(yīng)對外界擾動；(2)方法中涉及的單體無人機(jī)抗擾動方法屬于被動抗擾，沒有無人機(jī)集群抗擾動策略，因此在精度和快速性上會遜色于本發(fā)明所提出的方法。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種基于干擾觀測器的四旋翼無人機(jī)集群抗干擾編隊控制方法，針對四旋翼無人機(jī)集群在任務(wù)執(zhí)行過程中可能面臨的外界力矩擾動從而影響無人機(jī)集群控制精度，能夠顯著提升單體無人機(jī)的軌跡控制精度，另外減小無人機(jī)集群受到的外界風(fēng)擾，降低單體無人機(jī)的擾動補(bǔ)償，達(dá)到節(jié)省能量的目的。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種基于干擾觀測器的四旋翼無人機(jī)集群抗干擾編隊控制方法，包括以下步驟：

步驟一，構(gòu)建含外力擾動的單體四旋翼耦合動力學(xué)模型；

步驟二，建立針對無人機(jī)所受外界風(fēng)產(chǎn)生的力矩擾動的干擾觀測器；然后，根據(jù)干擾觀測器估計的擾動值；

步驟三，根據(jù)干擾觀測器估計的無人機(jī)領(lǐng)機(jī)x軸與y軸的擾動值，估計出風(fēng)擾的方向，設(shè)計四旋翼抗干擾控制律；

步驟四，根據(jù)領(lǐng)機(jī)估計的風(fēng)擾方向，在遇到外界擾動時，四旋翼集群的隊形保持I字型，設(shè)計四旋翼集群抗干擾編隊控制律，實現(xiàn)無人機(jī)集群編隊的抗干擾控制；

進(jìn)一步的，所述步驟一具體如下：

針對四旋翼飛行過程中受到的風(fēng)擾力矩擾動，同時建立四旋翼的解耦動力學(xué)模型，假設(shè)風(fēng)力在水平面內(nèi)對四旋翼的產(chǎn)生力矩擾動，從而使四旋翼的姿態(tài)角產(chǎn)生變化，表示如下：