[发明专利]基于同步策略的多无人机时变编队控制方法

权利要求书

1.基于同步策略的多无人机时变编队控制方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤S1，建立描述三维空间中的无人机编队队形的数学模型；

该数学模型采用带有时变参数的椭球方程进行描述，如下：

其中，x_i(t),y_i(t),z_i(t)是椭球面上的一点，i＝1～n，即为无人机在三维空间中的位置；a(t),b(t),c(t)，为椭球在三维方向上的长轴；

θ(t),φ(t),n(t)为椭球时变参数；x₀(t),y₀(t),z₀(t)为椭球的中心点，且：

其中A_i(t)表示椭圆的参数矩阵；

步骤S2，基于拉格朗日牛顿方程构建四旋翼无人机的数学模型；

其中，φ,θ,ψ分别为四旋翼无人机的滚转角、俯仰角和偏航角；x,y,z为四旋翼无人机质心的位置坐标；l是旋翼末端到旋翼前端的距离；m为四旋翼无人机的质量，I为每个轴的转动惯量，K₁-K₆为阻力系数；U₁-U₄为虚拟控制输入；表示无人机在三维空间中x,y,z方向的速度；表示无人机在三维空间中x,y,z方向的加速度；表示对应角度的一阶导数；表示对应角度的二阶导数；

步骤S3，基于同步控制策略设计四旋翼无人机位置系统的控制律；

其中，B^-1(t)＝A(t)，σ(t)为引入的中间变量，E(t)为误差方程。

2.如权利要求1所述的基于同步策略的多无人机时变编队控制方法，其特征在于，步骤S1中，建立描述无人机编队队形的数学模型的具体过程如下：

三维空间中带时变参数的椭球方程如下：

为了实现编队队形在三维空间中进行时变变化，需要将该椭球方程写成参数方程的形式：

进一步将上式写成矩阵的形式：

3.如权利要求1所述的基于同步策略的多无人机时变编队控制方法，其特征在于，步骤S2中，将构建的四旋翼无人机的数学模型拆分成位置子系统和姿态子系统：

位置子系统为：

其中：

姿态子系统为：

4.如权利要求1所述的基于同步策略的多无人机时变编队控制方法，其特征在于，步骤S3中，基于同步控制策略设计四旋翼无人机位置系统的控制律具体如下：

定义无人机与期望位置的误差：

e_i(t)＝P_i^d-P_i(i＝1,2,...n,令n+1＝1) (10)

其中：P_i^d为无人机的期望位置，P_i为无人机的实际位置，

定义无人机之间的同步误差：

即有：

B_i(t)e_i(t)＝B_i+1(t)e_i+1(t) (12)

则令同步误差为：δ_i(t)＝B_i(t)e_i(t)-B_i+1(t)e_i+1(t)(13)

如果实现无人机的编队飞行，则需要满足下式：

定义编队误差方程：

对误差方程进行求导：

令：

则有：

引入中间变量：

其中，

设计滑模函数：

对滑模函数进行求导：

并将位置子系统代入：

由此可以得到虚拟控制输入矩阵u(t)如下：

其中，为中间变量，σ(t)对应的一阶导数；为误差方程E(t)的一阶导数；控制输入中的K0、r0为可调参数；B^-1(t)＝A(t)为椭圆的参数矩阵；P(t)为无人机在三维空间中的位置；为无人机在三维空间中的速度；g为重力加速度。