[发明专利]一种无线速度测量的四旋翼飞行机器人机动编队控制方法

权利要求书

1.一种无线速度测量的四旋翼飞行机器人机动编队控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、针对可在三维空间机动的多四旋翼飞行机器人系统，利用牛顿-欧拉方程建立每个四旋翼飞行机器人的动力学模型，每个四旋翼飞行机器人的动力学模型为：

式中，每个四旋翼飞行机器人的位姿定义在欧氏群SE(3)空间，其中，为在惯性坐标系下每个四旋翼飞行机器人位置，为实数集，是一组所有元素都属于的三元组，R_i∈SO(3)表示每个四旋翼飞行机器人姿态，SO(3)表示三维旋转群，i表示四旋翼飞行机器人的序号，为p_i的一阶微分，v_i表示在惯性坐标系下每个四旋翼飞行机器人的线速度，为v_i的一阶微分，为R_i的一阶微分，m_i和J_i分别表示质量和惯性张量，g为恒定的重力加速度，ω_i表示在机体坐标系下的角速度，表示与ω_i相关的斜对称矩阵，f_i和τ_i分别是每个四旋翼飞行机器人的净推力和体转矩，矢量e₃＝[0,0,1]^T，且为实数集，是一组所有元素都属于的三元组；

S2、基于辅助滤波信号发生器，引入若干辅助变量的二阶信号以消除在多四旋翼飞行机器人编队控制中对线速度测量的需求，具体步骤如下：

S21、将以下辅助变量的二阶信号关联到每个四旋翼飞行机器人：

其中，k_pi、k_di、l_pi和l_di均是正增益，和均为辅助变量，为α_i的一阶微分，为β_i的一阶微分，为α_i的二阶微分，为β_i的二阶微分，和是待设计的附加输入矢量，函数tanh(·)按元素定义；

S22、定义ξ_i如下：

ξ_i＝p_i-α_i-β_i (5)

S23、定义输入的和φ_i分别为：

其中，ξ_ij＝ξ_i-ξ_j-δ_ij，ξ_j＝p_j-α_j-β_j，a_ij表示第i个和第j个四旋翼飞行机器人之间通信网络的权值，a_ji表示第j个和第i个四旋翼飞行机器人之间通信网络的权值，a_ij＝a_ji≥0，k_ψi,k_vi为正增益，ψ_i表示由公式(8)产生的信号，是ψ_i的一阶微分；

S24、使用辅助变量α_i，定义：

式中，为v_d的一阶微分；

S3、基于几何控制的方法，在欧氏群SE(3)上设计包括内外环级联结构的非线性控制律，其中内环控制姿态动力学，外环协调每个四旋翼飞行机器人的平移动力学，以实现高机动编队控制目标，具体步骤如下：

S31、设计中间控制信号F_i，令每个四旋翼飞行机器人的净推力输入如下：

f_i＝-m_iF_i^TR_ie₃ (11)

式中，T表示矩阵转置；

S32、定义期望姿态R_id的第三个分量b_3id的表达式如下：

其中，||F_i||≠0；

S33、获得的期望姿态R_id为：

R_id＝[b_2id×b_3id,b_2id,b_3id] (13)

其中，b_2id、b_3id分别表示期望姿态R_id的两个分量，且b_2id表示为b_2id＝(b_3id×b_1id)/||b_3id×b_1id||，b_1id表示为期望姿态R_id的第一个分量，b_1id不平行于b_3id；

S34、在特殊正交组SO(3)上定义结构误差函数为I表示三维单位矩阵，tr(·)表示矩阵的迹，并且定义SO(3)的切线空间上的姿态动力学和的误差函数为：

其中，ω_id是由给定的期望角速度；

S35、设计每个四旋翼飞行机器人的体转矩τ_i为：

其中，和为正控制增益，是ω_id的一阶微分。

2.根据权利要求1所述的无线速度测量的四旋翼飞行机器人机动编队控制方法，其特征在于，所述无线速度测量的四旋翼飞行机器人机动编队控制方法基于动力学模型的控制目标是针对每个四旋翼飞行机器人设计净推力f_i和体转矩τ_i，满足以下条件：

式中，j表示四旋翼飞行机器人的序号且i≠j，δ_ij表示第i个和第j个四旋翼飞行机器人之间期望的相对位置，δ_ij用于确定期望的编队，v_d是编队队形的参考线速度。