[发明专利]一种有向交互拓扑下无速度测量的四旋翼编队控制方法

说明书

本发明公开了一种有向交互拓扑下无速度测量的四旋翼编队控制方法，包括根据领航者‑跟随者架构建立多四旋翼无人机系统模型；使用有向图来描述领航者与跟随者之间的交互拓扑；基于二阶滤波辅助系统设计了有向拓扑下无需线速度的位置控制算法得到每个四旋翼的输入推力；基于旋转矩阵开发了无需角速度的几何姿态控制器得到每个四旋翼的输入力矩；根据每个四旋翼的输入推力和每个四旋翼的输入力矩控制有向交互拓扑下无速度测量的四旋翼编队。有效降低四旋翼无人机对通信资源的需求，并且消除了对四旋翼无人机的线/角速度测量的要求，降低了传感器的成本，而且提高了传感器失效时的可靠性，促进了低成本四旋翼无人机编队控制的可行性和鲁棒性。

技术领域

本发明属于无人机技术领域，特别涉及一种有向交互拓扑下无速度测量的四旋翼编队控制方法。

背景技术

近年来，多架无人机编队控制技术受到了广泛关注，在军事监视、空中测绘、电信中继和精密农业等诸多民用和军事领域具有巨大的应用潜力。四旋翼飞行器作为理想的空中平台，具有简化的气动机构、悬停和快速机动性等特点，在无人机编队中得到广泛应用。但与此同时，它们也面临着固有的欠驱动动力学和外部传感器受限的问题。例如，在一些实际系统中由于有限的通信资源的制约，四旋翼之间的交互拓扑只能是一种简单的有向的方式。此外，速度信息是被要求去实现四旋翼的动力学控制算法。不幸的是，由于不准确的速度测量，这一要求在现实中并不总是得到满足。另一方面，为了节省空间、成本和重量，四旋翼可能没有配备速度传感器。因此，通过消除四旋翼群的线/角速度测量，能降低了四旋翼传感器的成本，可以提高四旋翼飞行器编队的鲁棒性来应对不准确的速度测量以及传感器故障。因此，在有向交互拓扑下无线/角速度的四旋翼飞行器的编队控制是一个极具挑战性和价值的问题。

发明内容

针对以上技术问题，本发明提供一种有向交互拓扑下无速度测量的四旋翼编队控制方法，解决背景技术中在有向交互拓扑以及无线/角速度测量下，四旋翼无人机机群的编队控制的技术问题。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种有向交互拓扑下无速度测量的四旋翼编队控制方法，方法包括以下步骤：

步骤S100：确定多四旋翼无人机的领航者-跟随者架构，获取各四旋翼无人机在架构中的预设项参数，根据多四旋翼无人机的领航者-跟随者架构和预设项参数建立多四旋翼无人机系统模型；

步骤S200：使用有向图来描述多四旋翼无人机的领航者-跟随者架构中领航者与跟随者之间的交互拓扑；

步骤S300：基于二阶滤波辅助系统设计有向拓扑下无需线速度的位置控制算法，根据领航者与跟随者之间的交互拓扑定义得到编队误差，根据编队误差、有向拓扑下无需线速度的位置控制算法和多四旋翼无人机系统模型得到每个四旋翼的输入推力；

步骤S400：基于旋转矩阵设计无需角速度的几何姿态控制器，定义旋转矩阵误差和辅助变量，根据定义的旋转矩阵误差、定义的辅助变量和无需角速度的几何姿态控制器得到每个四旋翼的输入力矩；

步骤S500：根据每个四旋翼的输入推力和每个四旋翼的输入力矩控制有向交互拓扑下无速度测量的四旋翼编队。

优选地，领航者-跟随者架构包括n个追随者，标记为UAV 1到UAV n，以及一个虚拟领航者标记为UAV 0，各四旋翼无人机在架构中的预设项参数包括各四旋翼的质量、各四旋翼在惯性坐标系中的位置和线速度、各四旋翼在本体坐标系中的角速度、各四旋翼具有对称正定特征的惯性矩阵和各四旋翼从四旋翼本体坐标系到惯性坐标系的旋转变换矩阵。

优选地，步骤S100中根据多四旋翼无人机的领航者-跟随者架构和预设项参数建立多四旋翼无人机系统模型具体为：