申请/专利权人：中国人民解放军火箭军工程大学

申请日：2021-08-20

公开（公告）日：2024-04-26

公开（公告）号：CN113625758B

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：2024.04.26#授权;2021.11.26#实质审查的生效;2021.11.09#公开

摘要：本发明公开了一种四旋翼无人机群位姿双环抗干扰编队控制方法，该方法该方法基于的四旋翼无人机集群由N架四旋翼无人机构成，该方法包括无人机群位置环的抗干扰编队控制和单机姿态环的姿态控制两部分，抗干扰控制基于自抗扰控制原理，采用扩张状态观测器估计并补偿外部扰动。本发明能够将位置环的控制输入转化为姿态环的期望姿态角，以姿态环控制驱动位置环编队控制的方式，实现对四旋翼无人机群的位姿双环抗干扰编队控制。

主权项：1.一种四旋翼无人机群位姿双环抗干扰编队控制方法，其特征在于，以单机姿态控制驱动无人机群位置编队，使四旋翼无人机群形成并保持期望的编队队形，并根据自抗扰控制方式实现位置环抗干扰编队控制，具体包括以下步骤：步骤1：构建无人机群位置环动力学模型和无人机单机姿态环动力学模型；步骤2：然后根据编队指令设计位置环抗干扰编队控制器；步骤3：进而依据位置环抗干扰编队控制器的输入和无人机单机姿态环动力学模型，将位置控制转化为期望的姿态角，设计出单机姿态控制器；步骤4：以单机姿态环控制器驱动机群位置环编队控制过程的方式实现位姿双环抗干扰编队控制；在步骤1中，四旋翼无人机群由N架四旋翼无人机组成，其中第i架四旋翼无人机的位置环动力学模型建模如下： 其中，i＝1,2,…,N，xit、vit、uit和qit均为三维向量，代表无人机i的位置、速度、控制量和干扰项，αx和αv表示无人机位置和速度的阻尼；在步骤1中，每架四旋翼无人机的姿态环动力学模型由无人机的平动方程和转动方程联合确定，根据四旋翼无人机模型为对称刚体且质心与几何中心重合的特性，每架四旋翼无人机的姿态环动力学模型均可建模如下： 其中，{ax，ay，az}表示四旋翼无人机机体沿地理坐标系三个坐标轴方向的加速度，{Ix，Iy，Iz}为四旋翼无人机在机体坐标系下绕三个坐标轴旋转的转动惯量，{ωx，ωy，ωz}是四旋翼无人机在机体坐标系下绕三个坐标轴旋转的转动角速度，{ω1，ω2，ω3，ω4}表示四个旋翼的转速，ωsum＝-ω1+ω2-ω3+ω4，Ir是螺旋桨自身的转动惯量，l是四旋翼无人机质心到旋翼旋转轴之间的距离，b为旋翼的升力系数，d为旋翼的阻力系数，g为重力加速度，m为四旋翼无人机质量，{φ，θ，ψ}是姿态角，分别为俯仰角、横滚角和偏航角，在步骤2中，编队指令由分段连续可微分的向量表示，根据编队指令将位置环抗干扰编队控制器描述为： 其中，K表示编队控制增益矩阵，Γi表示无人机i的所有相邻无人机形成的集合，符号为克罗内克积，zit是抗干扰补偿项；在步骤3中，位姿双环抗干扰编队控制方式是将位置环抗干扰编队控制器转化为对每架四旋翼无人机姿态环的控制输入，从而在姿态环中调节无人机姿态和推力的大小以实现编队控制，在实际操作中，四旋翼无人机的俯仰角和横滚角通常在θ度附近变化，从而有sinθ≈θ，cosθ≈1，sinφ≈φ，cosφ≈1，结合姿态环动力学模型，可将无人机i的期望姿态角表示为： 其中uip＝ui4m；无人机姿态环控制器由期望姿态角和姿态环动力学模型联合确定，姿态环控制器表示为： 其中，kφ1，kφ2，kθ1，kθ2，kψ1，kψ2为控制增益，φi，θi，ψi为无人机当前姿态角，φiR，θiR，ψiR为所需给定的期望偏航角；在步骤4中，位姿双环抗干扰编队控制方法，具体包括以下步骤：步骤401：无人机群位置环动力学模型参数选取，按照四旋翼无人机动力学特性和实际应用情况设置阻尼参数αx和αv；步骤402：队形指令设置，根据实际要求确定期望的编队队形，设置编队位置和编队速度的队形指令；步骤403：队形指令检验，按照抗干扰编队可达判据检验队形指令是否满足要求，若满足判据要求，则继续执行步骤404；否则，队形指令不能被无人机群执行，返回至步骤402重新设置队形指令；步骤404：编队控制增益设计，利用线性矩阵不等式求解对称正定矩阵，并根据该矩阵设计位置环抗干扰编队控制器的编队控制增益K；步骤405：抗干扰补偿控制，根据自抗扰控制原理，设计扩张状态观测器确定位置环抗干扰编队控制器的抗干扰补偿项zit；步骤406：位姿双环转化控制，将位置环抗干扰编队控制器确定的控制输入代入姿态环动力学模型中，确定无人机的期望姿态角，从而将无人机群位置环抗干扰编队控制转化为无人机单机姿态环控制；步骤407：姿态环控制参数设置，根据无人机动力学特性和实际应用要求，设置姿态环控制器的控制增益和期望偏航角，至此完成位姿双环控制器全部参数设置；步骤408：位姿双环抗干扰编队控制效果验证，用位置环抗干扰编队控制器和姿态环控制器对四旋翼无人机群实施编队控制，验证四旋翼无人机编队效果；在步骤406中，四旋翼无人机的期望姿态角由如下四旋翼无人机的姿态环控制输入转化而得： 通过步骤406的操作，以期望姿态角为连接，建立四旋翼无人机群位置环抗干扰编队控制到无人机单机姿态环控制的转化关系，从而以位姿双环联合抗干扰的方式实现对四旋翼无人机群的编队控制。

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权利要求：

百度查询： 中国人民解放军火箭军工程大学 一种四旋翼无人机群位姿双环抗干扰编队控制方法

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