[發明專利]一種分布式多棲球形無人系統自主拼接的控制架構

有效

• 申請號: 202210040388.2
• 申請日: 2022-01-14
• 公開（公告）號: CN114476056B
• 公開（公告）日: 2023-05-30
• 發明（設計）人: 蔡志浩;楊杰松;趙江;王英勛
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: B64U10/70
• 分類號: B64U10/70;B64U20/40;B64C37/00;G05D1/08
• 代理公司: 北京天匯航智知識產權代理事務所(普通合伙) 11987
• 代理人: 黃川

本發明公開了一種分布式多棲球形無人系統自主拼接的控制架構，包括多個無人機，多個所述無人機拼接形成球形無人系統，在拼接的不同階段實現飛行模式、姿態控制模式以及球體滾動模式；所述控制架構包括基于非線性增量動態逆的位置控制器、基于非線性幾何控制理論的姿態控制器以及半球形無人系統滾動控制器；所述位置控制器用于在外部視覺定位的環境下，實現所述無人機的拼接機構的準確對接；所述姿態控制器用于控制所述無人機的姿態達到90°，由平面翻轉成半球體；所述半球形無人系統滾動控制器用于控制所述半球體向未完成拼接的方向滾動，實現整個球體的拼合。該控制架構簡化了各子系統無人機的連接機構，同時實現了多無人機的自主拼接控制。

技術領域

本發明涉及旋翼無人機與球形機器人控制技術領域，尤其涉及一種無人機的多機協同控制和大角度姿態控制框架。具體講，涉及多機在多模態下的協同控制。

背景技術

分布式多棲球形無人系統是一種具備空中飛行模態和地面滾動模態兩種結構方式的無人系統。其由多片單獨的子系統無人機組成，每架無人機為四旋翼構型并具備獨立在空中執行任務的能力；同時它們互相間裝備有電磁吸附裝置，可相互連結成球形，使系統在地面上表征出球體的運動特性。這樣一種分布式組合結構在軍事和民生中都有著極為廣闊的應用前景。近年來，世界各地研究出了大量多棲無人創新移動平臺，有的平臺采用固定翼式結構，但采用固定翼式結構的飛行器需要很長的滑跑才能起飛；有的利用旋翼機原理飛行的多棲移動平臺，雖具備垂直起降等優點，但是裸露的螺旋槳會對周圍物體構成很大的威脅，這些平臺在安全性或是工作空間上都存在構型單一、孤立工作、功能局限性大的問題；而針對球形機器人的研究一方面很少考慮到拓展其多棲的性質，另一方面多采取重力矩驅動的方案，這一方案將球體的三個自由度耦合在一起，同樣存在構型單一、功能局限性大的問題。

對于該分布式多棲球形無人系統來說，多架子系統無人機從飛行模態拼合轉換為地面球體模態的過程較為復雜，涉及到子系統無人機之間連接機構的設計、拼合流程的設計以及拼合過程中具體控制律的設計。子系統無人機采用四旋翼的構型，其基本控制器設計方法已比較成熟。然而，基于傳統理論的四旋翼無人機控制方法在對于分布式多棲球形無人系統來說，仍存在不足，主要體現在以下幾個方面：(1)基于傳統控制策略進行飛控系統設計時，通常采用歐拉角表示旋翼無人機的姿態，而其在大姿態角的情況下會存在萬向節鎖死的現象，例如在俯仰角為90°時，無人機的姿態可以用多個歐拉角組合表示，導致控制器的反饋值出現偏差。(2)傳統的多機協同、無人機編隊控制中，各個無人機之間通常沒有物理上的連接，反而需要防止碰撞，故其對于位置的精度要求較低。本控制方法對應的球形模態需要多個旋翼子系統拼接組合而成，對于子系統的位置控制要求較高。

發明內容

為了克服多棲無人系統功能局限性大的問題，本發明采用模塊化組裝的概念，提出了一種分布式多棲球形無人系統。其在地空不同環境下都能有較優的構型，其由多片單獨的旋翼驅動飛行單元模塊組成，每塊具備獨立在空中執行任務的能力；同時它們互相間裝備有電磁吸附裝置，可相互連結成球形，使系統在地面上表征出球體的運動特性。查閱資料顯示，目前國內外針對這一多棲球形系統的研究甚少，對于組合球形無人系統，多架子系統無人機拼合成為球體的過程較為關鍵。鑒于此，本發明提出了一種針對分布式多棲球形無人系統模態轉換過程中的拼接控制架構，具體技術方案如下：

一種分布式多棲球形無人系統自主拼接的控制架構，包括多個無人機，多個所述無人機拼接形成球形無人系統，在拼接的不同階段實現飛行模式、姿態控制模式以及球體滾動模式；所述控制架構包括基于非線性增量動態逆的位置控制器、基于非線性幾何控制理論的姿態控制器以及半球形無人系統滾動控制器；

所述位置控制器用于在外部視覺定位的環境下，實現所述無人機的拼接機構的準確對接；所述姿態控制器用于控制所述無人機的姿態達到90°，由平面翻轉成半球體；所述半球形無人系統滾動控制器用于控制所述半球體向未完成拼接的方向滾動，實現整個球體的拼合。