[發明專利]具有輸入約束的多無人機固定時間分布式編隊控制方法

在審

• 申請號: 202210448423.4
• 申請日: 2022-04-26
• 公開（公告）號: CN115033013A
• 公開（公告）日: 2022-09-09
• 發明（設計）人: 崔國增;徐輝;馬倩;李澤
• 申請（專利權）人: 蘇州科技大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 王玉國

本發明涉及具有輸入約束的多無人機固定時間分布式編隊控制方法,通過設計固定時間指令濾波和構造固定時間收斂的非光滑誤差補償機制，在固定時間內克服傳統反步設計方法存在的“復雜性爆炸”問題以及有效移除濾波誤差對系統性能的影響；利用事件觸發機制在保證系統控制性能的前提下，進一步減少控制信號的更新頻率；引入具有固定時間收斂的新型輔助信號，有效抑制輸入約束的影響。

技術領域

本發明涉及一種具有輸入約束的多無人機固定時間分布式編隊控制方法，屬于無人飛行器自動控制技術領域。

背景技術

目前，近年來，四旋翼無人機(Quadrotor Unmanned Aerial Vehicle)由于其簡易的機械結構、靈活的部署方式、極強的適應能力等優勢，吸引眾多學者深入研究無人機的飛行控制問題。相比于單個無人機，多個無人機組成的分布式編隊控制因其在工業領域和學術研究中多樣化的應用前景引起了廣泛關注，包括但不限于智慧城市管理、森林火災救援、復雜地形勘察和野外環境保護。值得注意的是，無人機是一類具有高度非線性、強耦合和欠驅動特性的系統，現有的無人機飛行控制方案效果與理想情況仍存在著一定的差距。此外，在分布式編隊控制中，單個無人機僅能依靠于鄰近無人機的可用信息，這使得飛行控制設計更加復雜和困難。因此，如何采用先進飛行控制方法實現多個無人機快速達到預期的編隊模式，不僅具有重要的現實意義，而且也是當前控制領域研究的熱點難點。

常見的無人機非線性控制算法主要有滑模控制、反步法、動態面控制技術等,滑模控制方法中因開關函數的死區特性容易引起控制抖振現象；而在反步法的遞歸設計過程中，需要對虛擬控制信號反復求導，不可避免的導致“復雜性爆炸”問題；為了降低控制算法的計算量，動態面控制技術憑借一階濾波器有效地避免了“復雜性爆炸”問題，但其忽視了濾波誤差對系統性能的影響。當系統階數增加，濾波誤差可能會變得越來越大，從而難以獲得較為理想的控制性能。大部分的飛行控制算法憑借有限時間控制能夠加快系統的收斂速度，但其收斂時間高度依賴于系統的初始條件。此外，一些多無人機編隊控制算法是基于連續時間采樣機制即控制信號需要實時更新，這無疑會浪費大量通訊資源，甚至造成信道擁塞。另一方面，由于無人機容易受到自身電機物理結構的影響，執行機構不可能提供任意大的控制信號，所以輸入約束問題是不可避免的。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術存在的不足，提供一種具有輸入約束的多無人機固定時間分布式編隊控制方法，在固定時間內解決了“復雜性爆炸”問題并移除了濾波誤差對系統性能的影響，在事件觸發機制和固定時間控制的框架下抑制了輸入約束的影響。

本發明的目的通過以下技術方案來實現：

具有輸入約束的多無人機固定時間分布式編隊控制方法，特點是：包括如下步驟：

考慮有向通訊拓撲下多無人機分布式編隊控制，節點0代表領導者，節點1到N為跟隨者，建立具有外部擾動的第i個無人機動力學模型如下：

其中x_i，y_i，z_i是無人機的位置；φ_i，θ_i，ψ_i表示橫滾角、俯仰角及偏航角；m_i和g分別為機體的質量和重力加速度；J_i，x，J_i，y，J_i，z為三個方向上的轉動慣量；J_i，RP是陀螺力矩；其中是每個螺旋槳的角速度；對于i＝1，2，...，N，j＝x，y，z，φ，θ，ψ，G_i，j代表空氣阻力系數，d_i，j表示外部擾動，且滿足常數u_i，F是總升力；u_i，φ，u_i，θ，u_i，ψ代表在機體坐標系上的三個轉矩；假定時變連續信號作為領導者信號；

考慮輸入約束的影響，無人機動力學模型(1)被改寫如下：