申请/专利权人：西北工业大学

申请日：2022-03-21

公开（公告）日：2024-04-30

公开（公告）号：CN114564044B

主分类号：G05D1/46

分类号：G05D1/46;G05D109/20

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.30#授权;2022.06.17#实质审查的生效;2022.05.31#公开

摘要：本发明公开了一种输入限幅事件触发的无人机有限时间编队控制方法，该方法首先采用反馈线性化方法将固定翼无人机的运动学和动力学模型转化为二阶积分器模型，然后基于无向图论描述无人机集群之间的通信关系，并设计期望编队构型；针对系统拓扑中无法直接与领航无人机通信的跟随无人机，设计固定时间状态观测器，估计领航者的状态值；基于状态观测值，设计基于输入限幅事件触发的有限时间编队控制器，同时定义事件触发条件，决定控制器的更新时间。本发明提高了编队收敛速度及控制系统的鲁棒性，能更好地适用于任务时效性要求高的应用场景。

主权项：1.一种输入限幅事件触发的无人机有限时间编队控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：建立固定翼无人机六自由度运动学与动力学模型，并对模型进行反馈线性化，得到二阶积分器模型；步骤1-1：固定翼无人机集群系统包含N+1架无人机，包括一架领航无人机和N架跟随无人机，无人机i的运动学和动力学模型如下： 式中，代数下标i＝0,1,…,N表示无人机的编号，i＝0表示领航无人机,i＝1,…,N表示跟随无人机的编号，xi、yi、zi分别表示三维空间中无人机i的位置信息，Vi表示无人机i速度，θi、ψi分别代表无人机i航迹倾斜角和航向角，g表示重力加速度；ni＝[nix,niy,niz]T表示无人机i控制输入向量，nix,niy,niz分别为无人机i在x,y,z三个方向上的过载；步骤1-2：采用反馈线性化将无人机模型转化为线性模型，其具体过程如下：公式1中所述的无人机模型表示为如下形式： 其中，虚拟控制输入状态转换矩阵Γ表示为令pi＝[xi,yi,zi]T，则系统转换为如下二阶积分器模型： 其中，pi,vi,ui∈R3，分别表示无人机i在三维空间的位置、速度和虚拟控制输入；步骤2：基于无向图论描述无人机间的通信拓扑结构，设定无人机期望编队队形；步骤2-1：设无向图表示为G＝{V,E,A}，V＝{1,…,N}表示图G中节点集合，且1,…,N表示跟随无人机的编号；表示图G中边的集合，i,j表示跟随无人机j能收到i的信息，节点i称为节点j的一个邻居；图G的邻接矩阵表示为A＝[aij]N*N，其中aii＝0，aij＝0或1；若aij＝0，表示无人机i与无人机j之间不存在通信，是不连接的；aij＝1则表示无人机i与无人机j之间是连接的，存在通信关系；进一步定义节点的邻居集合为Ni＝{j∈V:aij0}；同样地，跟随无人机与领航无人机间的通信关系采用ai0描述，若ai0＝0，表示跟随无人机i与领航无人机之间不存在通信，无法直接获取领航无人机的状态信息；aij＝1则表示跟随无人机i与领航无人机之间存在通信，可以直接获取领航无人的状态信息；步骤2-2：设定无人机期望编队队形：基于输入限幅事件触发的有限时间编队控制器，能使跟随无人机与领航无人机在有限时间内形成预设形状编队，即每一跟随无人机与领航无人机的位置误差保持为预设固定常值向量，并与领航无人机的速度保持一致，所述无人机期望的编队队形表达式为： 且当t≥T时，||pit-oi-p0t||＝0,其中，oi,oj分别为跟随无人机i,j相对于领航者的位置偏移量，T表示有限收敛时间；pit、p0t分别表示跟随无人机i与领航无人机的位置向量；步骤3：设计固定时间状态观测器，估计领航无人机的状态信息；针对无人机集群系统中无法直接获取领航无人机的状态信息的部分无人机，设计固定时间速度观测器如下： 其中α0，β0为观测器增益，a,b,c,d均为正奇数且满足ab,cd，表示跟随无人机i对领航无人机的速度估计，且规定其中，sgnx表示标准符号函数，对任意向量x＝[x1,x2,…,xn]T，有sigxα＝[sigx1α,…,sigxnα]T；步骤4：根据对领航无人机的观测值及与邻居无人机的位置误差信息、速度误差信息，设计基于输入限幅事件驱动的有限时间编队控制器： 其中，uixt,uiyt,uizt分别表示x,y,z轴上的虚拟控制输入，表示跟随无人机i的事件驱动时间序列，γ10，γ2＝max|u0x|,|u0y|,|u0z|,k1,k20,0α11,式5中的限幅函数表示为： 步骤5：设计事件驱动条件，计算控制器的更新时间tk+1；定义跟随无人机i的联合位置误差和联合速度误差分别为： 其向量形式定义为定义跟随无人机i的测量误差为： 根据上述误差，定义跟随无人机i的事件驱动函数为： 其中，ξ表示事件驱动调节参数；计算控制器的更新时刻tk+1，公式如下： 当事件驱动条件9满足时，即进行控制器5的更新。

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百度查询： 西北工业大学 一种输入限幅事件触发的无人机有限时间编队控制方法

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