一种基于虚拟结构的多旋翼无人机编队一致性控制方法

1.本发明涉及一种旋翼无人机编队控制技术，具体为一种基于虚拟结构的多旋翼无人机编队一致性控制方法。


背景技术：

2.编队队形控制是多旋翼无人机系统研究的核心问题，无人机在执行任务时需要保持一定的队形，或者需要在特定的时间进行队形的切换和重构，这依赖于可靠的编队控制策略，传统虚拟结构法的主要思想是将无人机编队系统的队形组成看作是刚性的虚拟结构，在无人机编队飞行运动期间，单个无人机个体可以看作是固定在虚拟结构上的固定位置上，一旦无人机编队队形发生改变，编队系统中的无人机个体直接跟踪保持虚拟结构上的固定坐标点就可以完成设定好的编队飞行巡检路线，无人机跟踪虚拟结构质点即可达到协同控制的目的，该方法能够很好的进行集群拓扑保持，相较于其他协同控制方法，虚拟结构法对队形约束最强，不过该方法很大程度上受限于形成的队形限制，不够方便，而无人机之间一致性编队控制，能够有效的解决这个问题，可使每个无人机位置和速度达到一致，从而实现一致性编队，然而，在虚拟结构法的基础上加入一致性编队控制，一方面是优化了分布式控制方法的编队系统飞行效果，另一方面则是即使编队无人机系统中的某个个体出现故障导致编队系统中的个体缺失，对系统整体的影响也较小，并可以实时的补充上其他无人机个体，让编队系统快速恢复正常的工作状态。
3.目前无人机编队主要有集中式控制方法、分布式控制方法、分散式控制方法这三种控制方式。其中，集中式控制方法的飞行效果较好，能做出科学的飞行决策和路线，但是不易实现，在无人机个体之间都需要进行多个通信，需要互相传递较为多的数据信息，对无人机个体的计算速度以及内存都要求比较高，数据量较大还会导致无人机产生丢失关键信息的问题，分布式控制方法中无人机编队系统中的个体只需要和领域的无人机进行通信，通信数据包以及通信链路都比较少，但飞行效果会差一些，分散式控制方法的编队系统计算量更小，但其带来的编队飞行效果是极差的，由于编队系统中的无人机个体不相互通信，可能会带来无人机之间的碰撞从而发生严重事故。。


技术实现要素：

4.针对背景技术中提到的问题，本发明的目的是提供一种基于虚拟结构的多旋翼无人机编队一致性控制方法，能够解决上述提出的问题。
5.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种基于虚拟结构的多旋翼无人机编队一致性控制方法，包括以下操作步骤：
6.s1：基于虚拟结构的多旋翼无人机的编队方法：
7.s1.1：建立旋翼无人机的单机模型；
8.旋翼无人机的单机运动模型如下：
[0009][0010][0011]vi
＝[v
xi
,v
yi
,v
zi
]
t
；
[0012]
其中：vi、θi和ψi分别为第i个旋翼无人机的速度、横滚角、俯仰角和偏航角，控制量为ui＝[u
picthi
,u
ro
lli,u
yawi
,u
upi
]；(xi,yi,zi)为第i个旋翼无人机在惯性系下位置坐标，ωi,i＝1,2,3,4为各电机的转速；分别为旋翼无人机重心到旋翼的距离和旋翼的转动惯量，各旋翼无人机的速度约束为0＜v
imin
≤vi≤v
imax
；
[0013]
s1.2：搭建编队空间相对运动模型；
[0014]
将旋翼无人机编队系统的队形组成看作是刚性的虚拟结构，在无人机编队飞行运动期间，单个无人机个体可以看作是固定在虚拟结构上的固定位置上，在旋翼无人机的单机模型基础之上，设计编队空间的相对运动模型，结合旋翼无人机的单机运动模型和编队空间相对运动模型，得出旋翼无人机编队飞行系统模型；
[0015]
s1.3：根据s1.2设定虚拟点参考轨迹；
[0016]
s1.4：根据s1.2和s1.3，满足r
if
＝r
i-rf，对其关于时间求导，并根据坐标系间转换关系投影到编队坐标系下；
[0017]ri
、rf、r
if
分别为惯性系下旋翼无人机的位置矢量、虚拟点位置矢量及它们之间的相对位置矢量；
[0018]
s1.5：结合旋翼无人机的单机运动模型和编队空间相对运动模型，得出旋翼无人机编队飞行系统模型；
[0019]
s2：一致性编队控制策略的实行：
[0020]
s2.1：在无人机编队中利用信息拓扑进行信息交换；
[0021]
s2.2：利用二阶一致性算法计分析编队飞行控制，令连续控制系统为：
[0022][0023]
式中：i＝1,2,...,m，其中m为系统中旋翼无人机的个数，xi∈rm,vi∈rm分别为第i
各旋翼无人机的位置和速度矢量，连续控制系统的一致性可归纳为给定任意系统的初始值xi(0),vi(0)与i＝1,2,....,m，设计控制器u
x
,uy,uz，使当t
→
∞时，和成立；
[0024]
s2.3：制定多旋翼一致性编队飞行控制方案；
[0025]
s2.4：由m架四旋翼组成编队，根据其之间的信息通信关系，把飞行编队建模为无向图g，无向图节点vi表示第i架四旋翼，信息流通方向是无人机之间的双向通信；
[0026]
s2.5：设计拓扑结构g，并根据虚拟点v0的信息设计无人机vi的期望指令；
[0027]
s2.6：在虚拟结构编队模式中，虚拟点位置为编队一致性算法的平衡点 x
eif
＝x
if-x
dif
，y
eif
＝y
if-y
dif
,z
eif
＝z
if-z
dif
为虚拟点与无人机的期望位置偏差为相对位置偏差，通过设置不同的相对位置即可设计出不同的编队形状，从而设计出一致性编队的控制器。
[0028]
作为优选，所述s1.1中旋翼无人机的单机运动模型为：
[0029][0030][0031]vi
＝[v
xi
,v
yi
,v
zi
]
t
。
[0032]
作为优选，所述s1.2中采用虚拟结构法定义编队构型，设置一个运动的虚拟点of为原点定义编队坐标系ofxfyfzf，且xf轴沿虚拟点速度在水平面内的投影分量方向，zf轴垂直水平面向下，轴位于水平面内由右手定则确定。
[0033]
作为优选，所述s1.3中基于时间参数的方程给出：
[0034][0035]
其中：(xf,yf,zf)为惯性系下虚拟点位置，ωf为虚拟点航向角速度，且 vf、ωf、θf、ψf、均为时间的分段连续函数，由编队路径规划系统给出。
[0036]
作为优选，所述s1.4中编队空间相对运动方程为：
[0037][0038]
其中：航向角误差ψ
ei
＝ψ
i-ψf，队形保持误差 x
ei
f＝xif-x
di
f,y
ei
f＝yif-y
di
f,z
ei
f＝zif-z
dif
。
[0039]
作为优选，所述旋翼无人机编队飞行系统模型为：
[0040][0041]
其中可将虚拟点运动状态看作已知扰动，若令 ui＝[u
picthi
,u
rolli
,u
yawi
,u
upi
]，则旋翼无人机编队飞行系统模型可以简写为如下的离散状态空间形式：
[0042]
xi(k 1)＝xi(k) f(xi(k),ui(k))δt,i＝1,2,...,m
[0043]
其中，δt为离散时间步长，f(*)为旋翼无人机编队飞行系统模型中全部子式等号右侧对应的非线性函数。
[0044]
作为优选，所述s2.2中二阶一致性算法为：
[0045][0046]
作为优选，所述s2.4中节点v0表示虚拟点，其余节点表示无人机。
[0047]
作为优选，所述s2.5中期望指令需满足|x
i-xd|
→
0,|v
i-vd|
→
0。
[0048]
作为优选，所述s2.6中一致性编队的控制器为：
[0049][0050]
综上所述，本发明主要具有以下有益效果：本发明的基于虚拟结构的多旋翼无人机编队一致性控制方法在满足用虚拟机构法完成编队的前提下，提高编队的灵活性，同时还要保证编队的一致性。
附图说明
[0051]
图1为本发明提供的旋翼无人机编队控制系统结构图；
[0052]
图2为本发明提供的一致性编队控制器算法结构图；
[0053]
图3为本发明提供的翼无人机编队队形的初末位置坐标图；
[0054]
图4为本发明提供的旋翼无人机转换编队队形的飞行轨迹图；
[0055]
图5为本发明提供的旋翼无人机转换编队队形的速度变化图。
具体实施方式
[0056]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0057]
在具体实施时，本发明提供一种基于虚拟结构的多旋翼无人机编队一致性控制方法，请参阅图1-5，包括以下操作步骤：
[0058]
s1：基于虚拟结构的多旋翼无人机的编队方法：
[0059]
步骤一：建立旋翼无人机的单机模型；
[0060]
旋翼无人机的单机运动模型如下：
[0061]
[0062][0063]vi
＝[v
xi
,v
yi
,v
zi
]
t
；
[0064]
其中：vi、θi和ψi分别为第i个旋翼无人机的速度、横滚角、俯仰角和偏航角，控制量为ui＝[u
picthi
,u
rolli
,u
yawi
,u
upi
]；(xi,yi,zi)为第i个旋翼无人机在惯性系下位置坐标，ωi,i＝1,2,3,4为各电机的转速；分别为旋翼无人机重心到旋翼的距离和旋翼的转动惯量，各旋翼无人机的速度约束为0＜v
imin
≤vi≤v
imax
；
[0065]
步骤二：搭建编队空间相对运动模型；
[0066]
将旋翼无人机编队系统的队形组成看作是刚性的虚拟结构，在无人机编队飞行运动期间，单个无人机个体可以看作是固定在虚拟结构上的固定位置上，在旋翼无人机的单机模型基础之上，设计编队空间的相对运动模型，结合旋翼无人机的单机运动模型和编队空间相对运动模型，得出旋翼无人机编队飞行系统模型；
[0067]
步骤三：搭建编队空间相对运动模型；
[0068]
采用虚拟结构法定义编队构型，设置一个运动的虚拟点of为原点定义编队坐标系ofxfyfzf，且xf轴沿虚拟点速度在水平面内的投影分量方向，zf轴垂直水平面向下，轴位于水平面内由右手定则确定；
[0069]
相较于传统虚拟结构法采用虚拟点航迹系作为编队参考系，这里定义的编队坐标系能够更直观地定义编队构型，且基于该坐标系的编队相对运动方程具有更为简单的形式，更贴合工程实际，图中，ogxgygzg为惯性系，vf、ψf、θf分别为虚拟点速度、航向角和爬升角，(x
if
,y
if
,z
if
)为第i个旋翼无人机在编队系下的相对位置坐标，则期望编队构型可由编队系下的一组相对位置坐标 {(x
dif
,y
dif
,z
dif
),i＝1,2,....,m}定义，m为编队旋翼无人机的总数；
[0070]
设定虚拟点参考轨迹由如下基于时间参数的方程给出：
[0071][0072]
其中：(xf,yf,zf)为惯性系下虚拟点位置，ωf为虚拟点航向角速度，且 vf、ωf、θf、ψf、均为时间的分段连续函数，由编队路径规划系统给出；
[0073]
步骤四：根据步骤二、步骤三，满足r
if
＝r
i-rf，对其关于时间求导，并根据坐标系间转换关系投影到编队坐标系下；
[0074]ri
、rf、r
if
分别为惯性系下旋翼无人机的位置矢量、虚拟点位置矢量及它们之间的相对位置矢量，则它们满足如下三角关系：r
if
＝r
i-rf，对其关于时间求导，并根据坐标系间转换关系投影到编队坐标系下，可得到如下编队空间相对运动方程：
[0075]
[0076]
其中：航向角误差ψ
ei
＝ψ
i-ψf，队形保持误差 x
eif
＝x
if-x
dif
,y
eif
＝y
if-y
dif
,z
eif
＝z
if-z
dif
；
[0077]
步骤五：结合旋翼无人机的单机运动模型和编队空间相对运动模型，得出旋翼无人机编队飞行系统模型；
[0078][0079]
其中可将虚拟点运动状态看作已知扰动，若令 ui＝[u
picthi
,u
rolli
,u
yawi
,u
upi
]则旋翼无人机编队飞行系统模型可以简写为如下的离散状态空间形式：
[0080]
xi(k 1)＝xi(k) f(xi(k),ui(k))δt,i＝1,2,...,m
[0081]
其中，δt为离散时间步长，f(*)为旋翼无人机编队飞行系统模型中全部子式等号右侧对应的非线性函数；
[0082]
s2：一致性编队控制策略的实行：
[0083]
步骤1：在无人机编队中利用信息拓扑进行信息交换；
[0084]
加权图g由三元组(v,e,a)组成，其中v＝{v0,v1,v2,....,vn}是节点或顶点集合，用于描述编队中旋翼无人机的集合，是成对节点的集合，称为边， a＝[a
ij
]∈rm×m是加权邻接矩阵，边(i,j)∈e表示第i个系统接收来自第j个系统的信息，且j和i相邻，满足则表示vi和vj之间可以相互获取信息，因此加权图为无向的，e中的节点对是无序的；
[0085]
步骤二：利用二阶一致性算法计分析编队飞行控制，令连续控制系统为：
[0086][0087]
式中：i＝1,2,...,m，其中m为系统中旋翼无人机的个数，xi∈rm,vi∈rm分别为第i各旋翼无人机的位置和速度矢量，连续控制系统的一致性可归纳为给定任意系统的初始值xi(0),vi(0)与i＝1,2,....,m，设计控制器u
x
,uy,uz，使当t
→
∞时，和成立；
[0088]
则二阶一致性算法为：
[0089][0090]
式中：γ,β1,β2＞0,且β1＞β2,a
ij
为加权邻接矩阵a中的第i行和第j列元素；
[0091]
通过二阶一致性算法表征多旋翼无人机之间信息传递的规则，使每个无人机位置和速度达到一致，从而实现一致性编队；
[0092]
步骤三：制定多旋翼一致性编队飞行控制方案；
[0093]
步骤四：由m架四旋翼组成编队，根据其之间的信息通信关系，把飞行编队建模为无向图g，无向图节点vi表示第i架四旋翼，信息流通方向是无人机之间的双向通信，节点v0表示虚拟点，其余节点表示无人机；
[0094]
步骤五：多旋翼编队生成问题描述为各无人机在零时刻静止于地面且无队形，设计拓扑结构g，并根据虚拟点v0的信息设计无人机vi的期望指令，使得|x
i-xd|
→
0,|v
i-vd|
→
0；
[0095]
步骤六：在虚拟结构编队模式中，虚拟点位置为编队一致性算法的平衡点，x
eif
＝x
if-x
dif
，y
eif
＝y
if-y
dif
,z
eif
＝z
if-z
dif
为虚拟点与无人机的期望位置偏差为相对位置偏差，通过设置不同的相对位置即可设计出不同的编队形状；
[0096]
从而设计出一致性编队的控制器：
[0097][0098]
通过在虚拟结构编队模式中，虚拟点位置为编队一致性算法的平衡点，通过设置不同的相对位置设计的一致性编队的控制器。
[0099]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种基于虚拟结构的多旋翼无人机编队一致性控制方法，其特征在于：包括以下操作步骤：s1：基于虚拟结构的多旋翼无人机的编队方法：s1.1：建立旋翼无人机的单机模型；旋翼无人机的单机运动模型如下：旋翼无人机的单机运动模型如下：v
i
＝[v
xi
,v
yi
,v
zi
]
t
；其中：v
i
、θ
i
和ψ
i
分别为第i个旋翼无人机的速度、横滚角、俯仰角和偏航角，控制量为u
i
＝[u
picthi
,u
rolli
,u
yawi
,u
upi
]；(x
i
,y
i
,z
i
)为第i个旋翼无人机在惯性系下位置坐标，ω
i
,i＝1,2,3,4为各电机的转速；分别为旋翼无人机重心到旋翼的距离和旋翼的转动惯量，各旋翼无人机的速度约束为0＜v
imin
≤v
i
≤v
imax
；s1.2：搭建编队空间相对运动模型；将旋翼无人机编队系统的队形组成看作是刚性的虚拟结构，在无人机编队飞行运动期间，单个无人机个体可以看作是固定在虚拟结构上的固定位置上，在旋翼无人机的单机模型基础之上，设计编队空间的相对运动模型，结合旋翼无人机的单机运动模型和编队空间相对运动模型，得出旋翼无人机编队飞行系统模型；s1.3：根据s1.2设定虚拟点参考轨迹；s1.4：根据s1.2和s1.3，满足r
if
＝r
i-r
f
，对其关于时间求导，并根据坐标系间转换关系投影到编队坐标系下；r
i
、r
f
、r
if
分别为惯性系下旋翼无人机的位置矢量、虚拟点位置矢量及它们之间的相对位置矢量；s1.5：结合旋翼无人机的单机运动模型和编队空间相对运动模型，得出旋翼无人机编队飞行系统模型；s2：一致性编队控制策略的实行：s2.1：在无人机编队中利用信息拓扑进行信息交换；
s2.2：利用二阶一致性算法计分析编队飞行控制，令连续控制系统为：式中：i＝1,2,...,m，其中m为系统中旋翼无人机的个数，x
i
∈r
m
,v
i
∈r
m
分别为第i各旋翼无人机的位置和速度矢量，连续控制系统的一致性可归纳为给定任意系统的初始值x
i
(0),v
i
(0)与i＝1,2,....,m，设计控制器u
x
,u
y
,u
z
，使当t
→
∞时，和成立；s2.3：制定多旋翼一致性编队飞行控制方案；s2.4：由m架四旋翼组成编队，根据其之间的信息通信关系，把飞行编队建模为无向图g，无向图节点v
i
表示第i架四旋翼，信息流通方向是无人机之间的双向通信；s2.5：设计拓扑结构g，并根据虚拟点v0的信息设计无人机v
i
的期望指令；s2.6：在虚拟结构编队模式中，虚拟点位置为编队一致性算法的平衡点x
eif
＝x
if-x
dif
，y
eif
＝y
if-y
dif
,z
eif
＝z
if-z
dif
为虚拟点与无人机的期望位置偏差为相对位置偏差，通过设置不同的相对位置即可设计出不同的编队形状，从而设计出一致性编队的控制器。2.根据权利要求1所述的基于虚拟结构的多旋翼无人机编队一致性控制方法，其特征在于，所述s1.1中旋翼无人机的单机运动模型为：人机的单机运动模型为：v
i
＝[v
xi
,v
yi
,v
zi
]
t
。3.根据权利要求1所述的基于虚拟结构的多旋翼无人机编队一致性控制方法，其特征在于，所述s1.2中采用虚拟结构法定义编队构型，设置一个运动的虚拟点o
f
为原点定义编队坐标系o
f
x
f
y
f
z
f
，且x
f
轴沿虚拟点速度在水平面内的投影分量方向，z
f
轴垂直水平面向下，轴位于水平面内由右手定则确定。4.根据权利要求1所述的基于虚拟结构的多旋翼无人机编队一致性控制方法，其特征在于，所述s1.3中基于时间参数的方程给出：
其中：(x
f
,y
f
,z
f
)为惯性系下虚拟点位置，ω
f
为虚拟点航向角速度，且v
f
、ω
f
、θ
f
、ψ
f
、均为时间的分段连续函数，由编队路径规划系统给出。5.根据权利要求1所述的基于虚拟结构的多旋翼无人机编队一致性控制方法，其特征在于，所述s1.4中编队空间相对运动方程为：其中：航向角误差ψ
ei
＝ψ
i-ψ
f
，队形保持误差x
eif
＝x
if-x
dif
,y
eif
＝y
if-y
dif
,z
eif
＝z
if-z
dif
。6.根据权利要求1所述的基于虚拟结构的多旋翼无人机编队一致性控制方法，其特征在于，所述旋翼无人机编队飞行系统模型为：其中可将虚拟点运动状态看作已知扰动，若令u
i
＝[u
picthi
,u
rolli
,u
yawi
,u
upi
]，则旋翼无人机编队飞行系统模型可以简写为如下的离散状态空间形式：x
i
(k 1)＝x
i
(k) f(x
i
(k),u
i
(k))δt,i＝1,2,...,m其中，δt为离散时间步长，f(*)为旋翼无人机编队飞行系统模型中全部子式等号右侧对应的非线性函数。7.根据权利要求1所述的基于虚拟结构的多旋翼无人机编队一致性控制方法，其特征在于，所述s2.2中二阶一致性算法为：
8.根据权利要求1所述的基于虚拟结构的多旋翼无人机编队一致性控制方法，其特征在于，所述s2.4中节点v0表示虚拟点，其余节点表示无人机。9.根据权利要求1所述的基于虚拟结构的多旋翼无人机编队一致性控制方法，其特征在于，所述s2.5中期望指令需满足|x
i-x
d
|
→
0,|v
i-v
d
|
→
0。10.根据权利要求1所述的基于虚拟结构的多旋翼无人机编队一致性控制方法，其特征在于，所述s2.6中一致性编队的控制器为：

技术总结
本发明涉及一种旋翼无人机编队控制技术，具体为一种基于虚拟结构的多旋翼无人机编队一致性控制方法，包括以下操作步骤：S1：基于虚拟结构的多旋翼无人机的编队方法：S1.1：建立旋翼无人机的单机模型；S1.2：搭建编队空间相对运动模型；S1.3：根据S1.2设定虚拟点参考轨迹；S1.4：根据S1.2和S1.3，满足R


技术研发人员：吴鸣宇 姚雪莲 杨艺 杨军 陈灵峰
受保护的技术使用者：江苏理工学院
技术研发日：2021.11.11
技术公布日：2022/5/25