一种四旋翼飞行器编队追踪控制方法   0    0

本发明公开了一种四旋翼飞行器编队追踪控制方法，本发明首先对无人机的编队控制提出一种分层式的控制框架，上层协同控制层和下层跟踪控制层，协同控制层基于固定时间一致性理论设计协同算法，可以得到无人机的虚拟速度和虚拟位置；跟踪控制层基于PID理论设计跟踪控制算法，使得无人机的真实位置和真实速度分别追踪到虚拟位置和虚拟速度，多架无人机从而实现期望的编队形态。本发明采用的控制方法可以更迅速的实现多架无人机的编队，并且收敛时间不受到无人机初始状况的影响。

1.一种四旋翼飞行器编队追踪控制方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
步骤一：首先给出四旋翼无人机的动力学模型，详细操作如下：
无人机的四个输入由四个旋翼产生，得到四个旋翼拉力和三个轴向力矩，四个旋翼的合拉力为Ti，力矩为 τφ，i为横滚力矩，τθ，i为俯仰力矩，τψ，i为偏航力矩，i表示第i个无人机；如果四个旋翼的转速分别为w1，i，w2，i，w3，i，w4，i，得其中b表示旋翼拉力系数，k表示反扭矩系数，l表示无人重心距旋翼的距离；合拉力Ti垂直于机体表面向上；
根据牛顿定理以及忽略空气阻力，得到在地理坐标系下的无人机运动方程
其中kx，i、ky，i、kz，i分别表示三轴的空气阻力系数，φi表示第i个无人机横滚角，θi表示第i个无人机俯仰角，ψi表示第i个无人机偏航角，g是重力加速度,mi是第i个四旋翼无人机的机体质量；
根据欧拉方程
M表示作用在无人机上的合力矩，ω表示姿态角速度， 表示姿态角速度的导数，×表示叉乘，I表示转动惯量；因此可得无人机姿态动力学模型；
其中， 表示空气阻力在机体坐标系三个主轴方向产生的力矩，
Ix，Iy和Iz表示三个轴上的惯性矩， 表示第i个无人机横滚角的一次导， 表示第i个无人机俯仰角的一次导， 表示第i个无人机偏航角的一次导；
步骤二：采用固定时间一致性理论设计协同控制算法，从而得到无人机的虚拟位置和虚拟速度，具体步骤如下：
首先根据单个智能体的一阶积分系统
其中，xi(t)、ui(t)分别表示第i个智能体t时刻的位置和控制输入；基于一致性协议可得如下控制器：
其中aij表明了第i架和第j架无人机之间的通信状态，xj(t)表示第j个智能体t时刻的位置；在此控制器的作用下，确保各智能体状态到达一致性；即当t→∞，有xi(t)→xj(t)，即xi(t)和xj(t)达到一致性；
多无人机为多智能体中的一种；在一致性理论的基础上，对控制器进行改进，得到固定时间一致性控制器如下
其中γ1＞0，γ2＞0，γ3＞0，γ4＞0，a＞0，b＞0，其均为系数， 分别表示第j架无人机t时刻的虚拟速度和虚拟位置，第 表示第i架无人机t时刻的虚拟速度和虚拟位置， 表示 的一次导数， 表示 的一次导数，aij表明了第i架和第j架无人机之间的通信状态，即无向通信拓扑图邻接矩阵的元素，当第i架和第j架无人机之间存在信息交换，则aij＝1，反之aij＝0；该协同算法能够使得n架无人机的虚拟状态在固定时间内达到一致性， 和
步骤三：在第二步得到固定时间一致性算法的基础上，让无人机按照期望的编队形态进行编队，步骤如下：
虽然虚拟位置能够达到一致性，但期望的虚拟编队还没完成，需要加入偏量形成期望的编队形态，基于第二步结果，重新设计成：
其中σi和σj是常系数，且dij＝σi‑σj，dij表示第i架无人机和第j架无人机之间期望的距离，通过上述算法使得虚拟位置达到期望的编队形态，
步骤四：基于上述的协同控制算法，跟踪控制算法中的位置控制器和姿态控制器保证虚拟位置 和虚拟速度 分别是真实位置ri和真实速度vi的追踪目标，
当追踪任务完成后，期望的编队形态和速度一致性将会实现；具体步骤如下：
采用PID算法设计四旋翼的位置控制器和姿态控制器，首先根据虚拟状态和真实状态的误差：
因此位置控制器 设计如下：
其中k1＞0，k2＞0，k3＞0，为PID参数；位置控制器表示为：
在姿态控制器中，由于期望的偏航角始终为零，即 通过俯仰角和横滚角来改变四旋翼的状态；进一步的，设计姿态控制器，
姿态角控制器 设计如下：
其中k4＞0，k5＞，k6＞0， 在姿态动力学模型中为：
因此在求得姿态控制器 后，代入式(14)，求出期望的力矩值τi
T
＝[τφ，i，τθ，i，τψ，i]；通过期望的力矩值便能得到无人机的俯仰角和横滚角；
步骤五：根据上述控制方法，通过修改dij从而按照期望的编队形态迅速实现编队飞行。