申请/专利权人：湖南大学

申请日：2021-11-30

公开（公告）日：2024-04-16

公开（公告）号：CN114153228B

主分类号：G05D1/46

分类号：G05D1/46;G05D1/695

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.16#授权;2022.03.25#实质审查的生效;2022.03.08#公开

摘要：本发明公开了一种有向交互拓扑下无速度测量的四旋翼编队控制方法，包括根据领航者‑跟随者架构建立多四旋翼无人机系统模型；使用有向图来描述领航者与跟随者之间的交互拓扑；基于二阶滤波辅助系统设计了有向拓扑下无需线速度的位置控制算法得到每个四旋翼的输入推力；基于旋转矩阵开发了无需角速度的几何姿态控制器得到每个四旋翼的输入力矩；根据每个四旋翼的输入推力和每个四旋翼的输入力矩控制有向交互拓扑下无速度测量的四旋翼编队。有效降低四旋翼无人机对通信资源的需求，并且消除了对四旋翼无人机的线角速度测量的要求，降低了传感器的成本，而且提高了传感器失效时的可靠性，促进了低成本四旋翼无人机编队控制的可行性和鲁棒性。

主权项：1.一种有向交互拓扑下无速度测量的四旋翼编队控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤S100：确定多四旋翼无人机的领航者-跟随者架构，获取各四旋翼无人机在架构中的预设项参数，根据所述多四旋翼无人机的领航者-跟随者架构和所述预设项参数建立多四旋翼无人机系统模型；步骤S200：使用有向图来描述所述多四旋翼无人机的领航者-跟随者架构中领航者与跟随者之间的交互拓扑；步骤S300：基于二阶滤波辅助系统设计有向拓扑下无需线速度的位置控制算法，根据所述领航者与跟随者之间的交互拓扑定义得到编队误差，根据所述编队误差、所述有向拓扑下无需线速度的位置控制算法和所述多四旋翼无人机系统模型得到每个四旋翼的输入推力；步骤S400：基于旋转矩阵设计无需角速度的几何姿态控制器，定义旋转矩阵误差和辅助变量，根据所述定义的旋转矩阵误差、所述定义的辅助变量和所述无需角速度的几何姿态控制器得到每个四旋翼的输入力矩；步骤S500：根据所述每个四旋翼的输入推力和所述每个四旋翼的输入力矩控制有向交互拓扑下无速度测量的四旋翼编队；领航者-跟随者架构包括n个追随者，标记为UAV1到UAVn，以及一个虚拟领航者标记为UAV0，所述各四旋翼无人机在架构中的预设项参数包括各四旋翼的质量、各四旋翼在惯性坐标系中的位置和线速度、各四旋翼在本体坐标系中的角速度、各四旋翼具有对称正定特征的惯性矩阵和各四旋翼从四旋翼本体坐标系到惯性坐标系的旋转变换矩阵；步骤S100中根据所述多四旋翼无人机的领航者-跟随者架构和所述预设项参数建立多四旋翼无人机系统模型具体为： 其中，i＝{1,2,…,n}；mi为第i个四旋翼的质量；g为重力加速度；e3＝[1,0,0]T为单位向量；表示具有对称正定特征的惯性矩阵；和分别表示四旋翼在惯性坐标系中的位置和线速度；表示四旋翼在本体坐标系中的角速度；和分别表示四旋翼在惯性坐标系中的位置和线速度的导数，是向量Ωi的斜对称矩阵，操作符·∧是被定义为x^y＝x×y，对于所有的其中×表示叉乘，·∧的逆运算是表示为·∨，然后得到x∧∨＝x；表示从四旋翼本体坐标系到惯性坐标系的旋转变换矩阵；fi和分别表示在四旋翼本体坐标系中的推力和力矩；步骤S200包括：步骤S210：让G＝v,ε表示与一组n架跟随者无人机相关联的有向图，其中v＝{v1,v2,…vn}为有限非空节点集，为边缘集，νi,νj表示无人机j可以通过感知或通信从无人机i获取信息，所述无人机j为子节点，所述无人机i为父节点，但所述无人机i不为子节点，从UAVi到UAVj的有向路径是一个边序列；步骤S220：定义与有向图G＝v,ε相关联的邻接矩阵当νi,νj∈ε时，有aij＞0，否则aij＝0，将拉普拉斯矩阵定义为并且lij＝-aij,i≠j.；步骤S230：使用有向图来描述虚拟领航者和跟随者之间的交互拓扑，定义节点集为以及边缘集为若虚拟领航者是第i个跟随者的邻居，则ai0＞0，否则ai0＝0；步骤S230：定义与领航者的交互矩阵为D＝diaga10,a20,...,an0，则有向图下领航者-跟随者编队的网络拓扑为交互矩阵H＝L+D；步骤S300包括：步骤S310：定义位置环的辅助变量为和设计的二阶滤波辅助系统具体为： 其中，辅助变量kαp、kαd、kβp和kβd都是正的增益，位置环的辅助变量αi0，βi和的初始值是任意指定的，函数σ是指满足以下条件的饱和函数：对于任意xi≠0，有xiσxi＞0和σ0＝0，存在任意使得存在任意σr＞0，使得σxi的微分满足|σxi|≤σr；步骤S320：定义与所述二阶滤波辅助系统相关联的位置变量为：ξi＝pi-αi-βi-p0-δi其中，ξi表示第i个跟随者与领航者的位置变量，p0表示虚拟领航者的位置，δi表示第i个跟随者与领航者的期望相对位置，αi和βi均表示位置环的辅助变量；在有向图下，表示ξij＝ξi-ξj，编队误差被定义为： 其中，si表示编队误差，i表示第i个跟随者，aij表示第i个跟随者与第j个跟随者之间的交互拓扑，ai0表示第i个跟随者与领航者之间的交互拓扑，ξi表示第i个跟随者与领航者的位置变量，ξij表示第i个跟随者与第j个跟随者之间的位置变量；步骤S330：根据所述编队误差得到无需线速度的分布式中间控制输入ui，具体为： 其中，kp＞0，ηi是所述中间控制输入ui的组成部分，它是任意初始化的并且通过以下方式更新： 其中，kv＞0，kη＞0；步骤S340：根据所述ui通过依次积分得到βi，根据所述βi得到αi，根据所述αi和所述ui得到参考信号Fi，具体为： 根据所述Fi和所述多四旋翼无人机系统模型得到每个四旋翼的输入推力，具体为：fi＝-miFiTRie3其中，fi表示第i个跟随者的四旋翼的输入推力；步骤S400包括：步骤S410：将旋转矩阵误差表示为用矩阵对数函数定义姿态跟踪误差为：eRi＝LogRie其中，Rid表示任意光滑期望旋转矩阵，Rid＝[r1id,r2id,r3id]，Rid是从参考信号Fi以及期望偏航角ψid中得到，具体为： 其中，bid＝[cosψid,sinψid,0]T，期望的角速度表示为： 由于所以与姿态跟踪误差相关的角速度误差为： 步骤S420：设计旋转动力学辅助系统，具体为： 其中，是辅助旋转矩阵，是辅助系统输入； 表示与Rie的误差，定义辅助变量为： 辅助系统输入为： 其中，ke＞0；步骤S440：根据所述角速度误差、所述旋转矩阵误差、所述期望的角速度和所述具有对称正定特征的惯性矩阵得到角速度误差的时间导数，具体为： 利用所述姿态跟踪误差eRi和所述辅助变量设计得到几乎全局的姿态控制器如下： 其中，τi表示每个四旋翼的输入力矩。

全文数据：

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百度查询： 湖南大学 一种有向交互拓扑下无速度测量的四旋翼编队控制方法

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