[发明专利]具有输入约束的多无人机固定时间分布式编队控制方法

说明书

本发明涉及具有输入约束的多无人机固定时间分布式编队控制方法,通过设计固定时间指令滤波和构造固定时间收敛的非光滑误差补偿机制，在固定时间内克服传统反步设计方法存在的“复杂性爆炸”问题以及有效移除滤波误差对系统性能的影响；利用事件触发机制在保证系统控制性能的前提下，进一步减少控制信号的更新频率；引入具有固定时间收敛的新型辅助信号，有效抑制输入约束的影响。

技术领域

本发明涉及一种具有输入约束的多无人机固定时间分布式编队控制方法，属于无人飞行器自动控制技术领域。

背景技术

目前，近年来，四旋翼无人机(Quadrotor Unmanned Aerial Vehicle)由于其简易的机械结构、灵活的部署方式、极强的适应能力等优势，吸引众多学者深入研究无人机的飞行控制问题。相比于单个无人机，多个无人机组成的分布式编队控制因其在工业领域和学术研究中多样化的应用前景引起了广泛关注，包括但不限于智慧城市管理、森林火灾救援、复杂地形勘察和野外环境保护。值得注意的是，无人机是一类具有高度非线性、强耦合和欠驱动特性的系统，现有的无人机飞行控制方案效果与理想情况仍存在着一定的差距。此外，在分布式编队控制中，单个无人机仅能依靠于邻近无人机的可用信息，这使得飞行控制设计更加复杂和困难。因此，如何采用先进飞行控制方法实现多个无人机快速达到预期的编队模式，不仅具有重要的现实意义，而且也是当前控制领域研究的热点难点。

常见的无人机非线性控制算法主要有滑模控制、反步法、动态面控制技术等,滑模控制方法中因开关函数的死区特性容易引起控制抖振现象；而在反步法的递归设计过程中，需要对虚拟控制信号反复求导，不可避免的导致“复杂性爆炸”问题；为了降低控制算法的计算量，动态面控制技术凭借一阶滤波器有效地避免了“复杂性爆炸”问题，但其忽视了滤波误差对系统性能的影响。当系统阶数增加，滤波误差可能会变得越来越大，从而难以获得较为理想的控制性能。大部分的飞行控制算法凭借有限时间控制能够加快系统的收敛速度，但其收敛时间高度依赖于系统的初始条件。此外，一些多无人机编队控制算法是基于连续时间采样机制即控制信号需要实时更新，这无疑会浪费大量通讯资源，甚至造成信道拥塞。另一方面，由于无人机容易受到自身电机物理结构的影响，执行机构不可能提供任意大的控制信号，所以输入约束问题是不可避免的。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种具有输入约束的多无人机固定时间分布式编队控制方法，在固定时间内解决了“复杂性爆炸”问题并移除了滤波误差对系统性能的影响，在事件触发机制和固定时间控制的框架下抑制了输入约束的影响。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

具有输入约束的多无人机固定时间分布式编队控制方法，特点是：包括如下步骤：

考虑有向通讯拓扑下多无人机分布式编队控制，节点0代表领导者，节点1到N为跟随者，建立具有外部扰动的第i个无人机动力学模型如下：

其中x_i，y_i，z_i是无人机的位置；φ_i，θ_i，ψ_i表示横滚角、俯仰角及偏航角；m_i和g分别为机体的质量和重力加速度；J_i，x，J_i，y，J_i，z为三个方向上的转动惯量；J_i，RP是陀螺力矩；其中是每个螺旋桨的角速度；对于i＝1，2，...，N，j＝x，y，z，φ，θ，ψ，G_i，j代表空气阻力系数，d_i，j表示外部扰动，且满足常数u_i，F是总升力；u_i，φ，u_i，θ，u_i，ψ代表在机体坐标系上的三个转矩；假定时变连续信号作为领导者信号；

考虑输入约束的影响，无人机动力学模型(1)被改写如下：