[发明专利]基于同步策略的多无人机时变编队控制方法

说明书

本发明公开了一种基于同步策略的多无人机时变编队控制方法，首先采用一种带有时变参数的椭球方程来描述无人机在三维空间中的编队；然后将无人系统的分为位置子系统和姿态子系统并建立对应的数学模型，定义由单个无人机的位置误差和无人机之间的同步误差构成的编队误差；最后，基于滑模控制的方法设计位置子系统和姿态子系统的控制律，使无人机的编队误差渐进趋向于零。该发明提出的基于同步策略的多无人机时变编队控制方法能够光滑地实现无人机的时变编队控制，并且通过解耦有效地降低了无人机编队队形协调控制的复杂性，使无人机编队能够应用于侦察、救援、巡航等任务。

技术领域

本发明属于无人机编队控制技术领域，具体为一种基于同步策略的多无人机时变编队控制方法。

背景技术

近年来，无人机以其独特的优势得到各行业的重视，比如它的机动性能特别好，环境适应能力很强，可以执行侦查拍摄、火力打击等各种任务而且它的隐身性能也很可观，最重要的是它可以避免人员伤亡。

单个四旋翼飞行器具有许多良好的特性，例如体积小，灵活性好，隐蔽性好，适应性强。然而，它仍然存在一些缺点，当一个四旋翼飞行器在执行任务时，如果发生故障，它必须返回进行修复，如果它被损坏，那很有可能中断任务。另一方面，单四旋翼飞行器的效率有限。在执行观察或评估任务时，很容易错过目标，无法同时获取目标区域中的所有信息。为了解决这个问题，我们可以让多个四旋翼一起工作来完成任务，即无人机的编队飞行。

绝大多数现有研究结果中的编队都是时不变的。然而，这些构造通常不能满足各种应用中的实际要求。此外，应该指出时不变编队的结果一般不能直接应用于时变编队。因此，研究时变编队的控制更有意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种基于同步策略的多无人机时变编队控制方法，该方法能够光滑地实现无人机的时变编队，并且有效地降低了无人机编队在三维空间中的队形控制的耦合性，使无人机编队能够应用于侦察、救援、巡航等任务。

本发明提供了一种基于同步策略的多无人机时变编队控制方法，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。