一种四旋翼无人机集群系统的编队控制方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115993846A(43)申请公布日2023.04.21(21)申请号202310288008.1(22)申请日2023.03.23(71)申请人西北工业大学深圳研究院地址518063广东省深圳市南山区粤海街道高新南九道45号西北工业大学三航科技大厦25楼2501室申请人西北工业大学(72)发明人刘永芳苏枝轩赵宇(74)专利代理机构西安正华恒远知识产权代理事务所(普通合伙)61271专利代理师陈选中(51)Int.Cl.G05D1/10(2006.01)权利要求书2页说明书10页附图5页(54)发明名称一种四旋翼无人机集群系统的编队控制方法(57)摘要本发明公开了一种四旋翼无人机集群系统的编队控制方法，属于无人机控制技术领域。该方法包括建立悬停状态下四旋翼无人机的高阶线性模型；建立通讯拓扑模型并设置期望编队构型；获取初始状态信息以及初始化信息；根据高阶线性模型、通讯拓扑模型、期望编队构型、初始状态信息、初始化信息和所有邻居四旋翼无人机的实时状态信息确定编队控制律；根据分布式编队控制律实时更新四旋翼无人机的状态，使所有四旋翼无人机在预期的时间点准时完成编队任务。本发明能够大幅度弱化通讯网络的拓扑条件，极大程度减少非必要的通信链路从而降低通讯成本，同时四旋翼无人机集群完成编队的时刻可以由用户预先指定，从而能实现高时间精度要求下的准确编队。CN115993846ACN115993846A权利要求书1/2页1.一种四旋翼无人机集群系统的编队控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据四旋翼无人机的动力学方程，利用线性化方法建立悬停状态下四旋翼无人机的高阶线性模型；S2、建立四旋翼无人机集群系统的通讯拓扑模型，并设置期望编队构型；S3、获取所有四旋翼无人机的初始状态信息，并分别设置每个四旋翼无人机的初始化信息；S4、获取每个四旋翼无人机与邻居四旋翼无人机的相对运动信息，并根据高阶线性模型、通讯拓扑模型、期望编队构型、初始状态信息、初始化信息和所有邻居四旋翼无人机的实时状态信息，采用最优控制方法确定分布式编队控制律；S5、根据确定的分布式编队控制律实时更新所有四旋翼无人机的实时状态信息，控制四旋翼无人机集群系统完成编队任务。2.根据权利要求1所述的一种四旋翼无人机集群系统的编队控制方法，其特征在于，步骤S1中利用线性化方法建立的悬停状态下四旋翼无人机的高阶线性模型具体为：其中，，，表示二维单位向量；表示四旋翼无人机i在全局坐标系中的质心坐标；表示四旋翼无人机i的质心坐标相对平衡点的增量；表示四旋翼无人机i在全局坐标系下机体方向的滚动角、俯仰角；表示四旋翼无人机i的滚动角、俯仰角相对平衡点的增量；；g表示重力常数；表示施加在四旋翼无人机i机身上对应轴方向上的力矩输入。3.根据权利要求1所述的一种四旋翼无人机集群系统的编队控制方法，其特征在于，步骤S2中建立的四旋翼无人机集群系统的通讯拓扑模型具体为：其中，表示矩阵L的第i行、第j列元素；表示四旋翼无人机i和四旋翼无人机j之间存在通信链路，且信息流的方向是从四旋翼无人机j到四旋翼无人机i，同时称四旋翼无人机j是四旋翼无人机i的一个邻居；如果无人机i,j之间不存在通信链路，则；表示四旋翼无人机i的邻居集合；表示四旋翼无人机i的邻居的数量。4.根据权利要求1所述的一种四旋翼无人机集群系统的编队控制方法，其特征在于，步骤S2中设置的期望编队构型具体为：2CN115993846A权利要求书2/2页其中，表示四旋翼无人机i的编队向量，表示四旋翼无人机i在编队构型中的预期位置坐标，N表示四旋翼无人机的总数量，T表示矩阵转置符号。5.根据权利要求1所述的一种四旋翼无人机集群系统的编队控制方法，其特征在于，步骤S3中四旋翼无人机的初始化信息具体包括：预期编队任务的完成时间，无人机在通讯过程中的采样时间序列，四旋翼无人机初始运行时间和初始采样时间参数。6.根据权利要求1所述的一种四旋翼无人机集群系统的编队控制方法，其特征在于，所述无人机在通讯过程中的采样时间序列具体为：其中，表示根据编队任务要求离线预先指定的完成编队任务的时刻；表示第个采样时刻，表示第n个采样时刻，表示第n个采样间隔，表示四旋翼无人机的初始运行时间；表示设定常数。7.根据权利要求1所述的一种四旋翼无人机集群系统的编队控制方法，其特征在于，步骤S4中确定的分布式编队控制律具体为：其中，表示四旋翼无人机i的邻居集合；表示四旋翼无人机i的邻居的数量；表示四旋翼无人机i在采样时刻的状态值；表示四旋翼无人机j在采样时刻的状态值；表示四旋翼无人机i的编队向量；表示四旋翼无人机j的编队向量；，表示二维单位向量；、均表示常数矩阵；表示与时间t相关的矩阵函数。3CN115993846A说明书1/