[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

说明书

本发明公开了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，先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；再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；最后，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；与现有技术相比，本发明所涉及的控制律(净推力和体转矩)均不取决于线速度矢量，即本发明所提出的四旋翼飞行机器人机动编队控制方法是实现无线速度的，无需线速度测量。

技术领域

本发明主要涉及到四旋翼飞行机器人的编队控制领域，特别涉及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。

背景技术

飞行机器人编队控制由于其在搜救、侦察、监视和中继通信等领域的广泛应用而成为活跃的研究领域。四旋翼飞行机器人由于其结构简单以及具有垂直起降能力而成为一种流行的飞行机器人研究平台。由于四旋翼飞行机器人只有四个独立的输入而有六个自由度，因此四旋翼飞行机器人属于欠驱动系统。四旋翼飞行机器人的欠驱动和非线性耦合特性导致难以控制其运动。在四旋翼飞行机器人编队控制方面已经有一些研究，其编队控制方法可以分为领导者跟随方法、虚拟结构方法和基于行为的方法：在领导者跟随的方法中，跟随者需要跟踪领导者，并相对于领导者保持所需的相对位置；在虚拟结构方法中，整个队形被视为一个刚体，然后将期望的行为分配给虚拟结构，每个成员相对于虚拟结构控制其自己的行为；在基于行为的编队控制中，为每个机器人规定了几种期望的行为，并且每个机器人的控制动作是所有可能行为的控制权重平均值。由于上述所有编队控制器都是基于欧拉角表示的旋转动力学开发的，而欧拉角表示参在固有的几何奇异性。通过使用四元数表示可以避免这种奇异问题，四元数表示可用于描述所有可能的方向。尽管四元数不具有奇异性，它们在表示姿态时存在歧义。因此，无论如何选择参数，所有参数化都无法全局且唯一地表示一组姿态。出于在旋转运动中全局且唯一地表示姿态的愿望驱使，直接用特殊正交群SO(3)表示姿态，避免了与Euler角(欧拉角)相关的奇异性或四元数的歧义。

另外，当某些状态变量不可用于反馈时，四旋翼飞行机器人的协调控制变得更具挑战性。当前与四旋翼飞行机器人编队控制有关的大多数研究中，鉴于在线速度不可直接测量或难以测量的情况，基本都依赖于全部状态信息可测，但下。

因此，设计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，解决没有线性速度测量的分布编队控制问题，成了本领域人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术中的不足而提供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，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，以避免任何角度表示的奇异或模糊问题，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，以实现编队控制目标，同时能有效提高编队系统的高机动性。

本发明的目的通过以下技术方案实现：提供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，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；

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；

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。