[發明專利]多無人機固定時間指定性能分布式姿態控制方法

在審

• 申請號: 202211000472.8
• 申請日: 2022-08-19
• 公開（公告）號: CN115454110A
• 公開（公告）日: 2022-12-09
• 發明（設計）人: 崔國增;徐輝;馬倩;李澤;焦提操
• 申請（專利權）人: 蘇州科技大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 王玉國

本發明涉及多無人機固定時間指定性能分布式姿態控制方法,結合固定時間指令濾波、非光滑誤差補償機制和Backstepping方法，提出固定時間指令濾波Backstepping設計方法，不僅解決維數爆炸問題而且在固定時間內消除了濾波誤差的影響，設計基于相對閾值的事件觸發分布式控制器，大大減少控制器的更新次數，有效減輕多無人機的通訊負擔。設計固定時間指定性能函數，在固定時間內保證多無人機同步誤差的暫態性能和穩態性能，如最大超調量、收斂速度和穩態誤差等，且多無人機同步誤差在任何時間內一直在指定性能邊界內。

技術領域

本發明涉及一種多無人機固定時間指定性能分布式姿態控制方法，屬于無人飛行器自動控制技術領域。

背景技術

近年來，多四旋翼無人機憑借垂直起降、靈活部署和精準懸停等優勢，在工業生產和學術領域中有著廣泛的應用前景，包括但不限于高層建筑消防、森林火災救援和交通道路監管。值得注意的是，每架無人機存在高度非線性、強耦合和參數不確定的性質，而且每架無人機僅能獲得部分的鄰居信息。當多無人機在執行復雜任務時，如何在有外部干擾、環境限制等情況下使每架無人機快速保持平穩一致的飛行姿態，關鍵在于姿態飛行控制設計的優劣。因此，研究多無人機固定時間指定性能分布式姿態控制是十分重要的且具有挑戰性的問題。

目前，常見的無人機飛行控制技術主要有反步控制和動態面控制。盡管動態面控制算法通過引入一階濾波將微分運算轉化為差分運算，解決了反步控制中因對虛擬控制信號反復微分引發的“維數爆炸”問題，但是未考慮濾波誤差對控制性能的影響。而且大部分飛行控制方案僅能保證無人機實現漸進收斂，雖然有限時間控制具有收斂速度快和魯棒性強的優點，但是收斂時間嚴重依賴于系統的初始狀態。特別是當無人機初始狀態不可測或不可獲得時，這些有限時間控制策略可能會失效。此外，部分控制算法僅確保無人機的穩態性能而忽視了瞬態性能，在實際中，過大的瞬態誤差可能會導致無人機飛行失穩甚至墜機。另一方面，基于時間觸發的飛行控制策略需要控制器維持長時間的快速采樣，這不僅會造成執行器的機械磨損，還會浪費大量通訊資源，增加通訊負擔。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術存在的不足，提供一種多無人機固定時間指定性能分布式姿態控制方法，不僅解決“維數爆炸”問題而且在固定時間內消除濾波誤差的影響，在事件觸發機制框架下設計固定時間指定性能函數確保多無人機的同步誤差被約束在預設的性能邊界內。

本發明的目的通過以下技術方案來實現：

多無人機固定時間指定性能分布式姿態控制方法，特點是：

考慮由一個領導者和N個跟隨者構成的多無人機系統，其中第i個無人機的姿態動力學模型建立如下：

其中φ_i，θ_i，ψ_i分別表示為橫滾角、俯仰角和偏航角；J_i，x，J_i，y，J_i，z分別是無人機關于x，y，z三個方向上的轉動慣量；G_i，φ，G_i，θ，G_i，ψ是空氣阻力系數；D_i，φ，D_i，θ，D_i，ψ為無人機受到的外部擾動；U_i，φ，U_i，θ，U_i，ψ是機體坐標系三個方向上的控制力矩；

為簡化多無人機的分布式控制設計，模型(1)可轉化為：

其中i＝1，2，...，N，j＝1，2，3，(X_i，1，1，X_i，2，1，X_i，3，1)＝(φ_i，θ_i，ψ_i)，且滿足ω_i，j和Y_i，j分別是第i個無人機的控制輸入和系統輸出；