[发明专利]基于极限环的四旋翼空间圆形编队解耦控制方法

说明书

本发明公开了一种基于极限环的四旋翼空间圆形编队解耦控制方法，包括：建立四旋翼数学模型；构建四旋翼编队系统感知拓扑结构及队形；设计一种基于极限环的解耦控制器，将四旋翼空间圆形编队控制解耦为高度控制、圆形收敛盘旋控制及个体间距调整控制，设计由高度控制器、圆形汇聚控制器、间距布局控制器和避免碰撞控制器组成的分布式控制器。本发明的空间圆形编队解耦控制方法仅利用目标圆心和相邻四旋翼的位置信息，不仅可以在有限时间内形成期望的空间圆形编队分布，并且容错率和扩展性都非常强。

技术领域

本发明属于四旋翼编队控制领域，尤其涉及一种基于极限环的四旋翼空间圆形编队解耦控制方法。

背景技术

四旋翼编队在各类实际应用中有巨大潜力，较于单架次在高效性、鲁棒性和覆盖能力等方面更具有优越性。圆形编队是编队控制中的常见队形之一，例如在安全监视、探测任务中，为了收集信息，需要在任务区域周围形成一组探测圈。采用分布式控制时，四旋翼编队间只能获取部分相对信息，需要控制方式具有强大的容错率和扩展性，使得相互协同成为一大难点。

近年来，振荡器以其随着时间推移逐渐趋于极限环的特性，在多智能体领域得到广泛研究，文献(Wang C,Xie G.Limit-cycle-based decoupled design of circleformation control with collision avoidance for anonymous agents in a plane[J].IEEE Transactions on Automatic Control,2017,62(12):6560-6567.)采用基于极限环的解耦设计方法，控制平面中的一组质点形成平面圆形编队。然而该算法仅能保证质点的避免碰撞，未考虑机器人的实际大小；其次，该算法渐近实现圆形编队分布，需要耗费较多时间，且难以保证真实飞行时四旋翼能够避免碰撞。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于极限环的四旋翼空间圆形编队解耦控制方法，能够避免碰撞且在有限时间内快速完成四旋翼空间圆形编队，同时满足四旋翼空间圆形编队对容错率和扩展性的要求。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于极限环的四旋翼空间圆形编队解耦控制方法，包括以下步骤：

步骤1、建立四旋翼数学模型，包括转矩方程、动态模型和姿态角解算方程；

步骤2、构建四旋翼编队系统感知拓扑结构及队形，设计四旋翼空间圆形编队控制器的单积分模型；

步骤3、设计高度控制器，采用基于偏差控制的PID控制器，控制四旋翼编队在期望的高度进行编队飞行；

步骤4、设计圆形汇聚控制器，采用具有稳定极限环的振荡器，控制四旋翼编队进行水平方向的圆形汇聚盘旋；

步骤5、设计间距布局控制器，采用有限时间控制律，控制四旋翼个体之间间距，形成设定的圆形相对位置分布；

步骤6、设计避免碰撞控制器，采用人工势场法，控制四旋翼编队避免碰撞；

步骤7、设计一种空间圆形编队控制器，由步骤3-5所述控制器组成的分布式控制器，再结合步骤6所述的避免碰撞控制器形成；通过空间圆形编队控制器得到相对于目标圆心的目标速度，利用机体坐标系加速度转换公式转换为大地坐标系下的目标加速度，再进行姿态反解得到目标欧拉角，包括四旋翼的横滚角和俯仰角θ。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)本发明将平面中的圆形编队控制问题扩展为三维空间的圆形编队控制问题。(2)本发明设计有限时间控制律，加快形成圆形相对位置分布的过程，使其能于有限时间内完成圆形分布，适用于实际的飞行编队任务。(3)本发明设计避免碰撞控制器，在考虑四旋翼的实际大小前提下，保证四旋翼编队在任务空间内的安全。以满足四旋翼编队控制方式具有强大的容错率和扩展性。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。