[发明专利]基于共享控制的多旋翼飞行器环境监测系统及方法

权利要求书

1.一种基于共享控制的多旋翼飞行器环境监测系统，其特征在于：包括主端和从端，所述的主端包括操作员、力反馈人机接口装置和主端计算机，所述的从端包括基站、搭载着传感器节点的多旋翼飞行器以及从端环境中的障碍物；所述的主端和从端通过无线方式进行数据交互，从端的多个搭载传感器节点的多旋翼飞行器包括从端领导飞行器和从端跟随飞行器，主端的操作员可以通过力反馈人机接口装置进行远程干预，同时通过力反馈人机接口装置得到从端飞行器的飞行状态与环境信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于共享控制的多旋翼飞行器环境监测系统，其特征在于：所述的从端领导飞行器和从端跟随飞行器上的传感器节点之间通过多跳自组织的方式形成网状网络，将采集到的外部环境监测数据以单跳或者多跳的方式传送给基站，基站将信息分类，并重新打包，传送给主端计算机。

3.根据权利要求1所述的一种基于共享控制的多旋翼飞行器环境监测系统，其特征在于：所述的从端领导飞行器为从端的对外接口负责响应主端的控制命令；所述的从端跟随飞行器不受主端直接控制，在编队导航过程中以从端领导飞行器为核心产生多级的自主跟随行为；其中所述的从端领导飞行器和从端跟随飞行器可以通过主端计算机的任务指令随时进行两者的角色切换。

4.一种基于共享控制的多旋翼飞行器环境监测方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：主端看作一种常规的机械系统，其动力学模型通过欧拉-拉格朗日方程表示：

其中，F_h为操作员对力人机接口装置的作用力，F_m为主从端交互作用对主端产生的作用力，x_M和分别代表主端的手控器等人机接口设备的位置和速度，M_M(x_M)代表惯量矩阵，代表科氏力和离心力，代表摩擦力等阻力；

步骤二：r_m为主端施加给从端领导飞行器i的速度控制参量，取决于主端手控器的位置和速度：

其中，λ和k皆为正常数，通过合理选择这两个参数的大小，尽量降低速度分量的影响；

步骤三：假设主从端之间存在通信时延T，存在以下关系式：r′_m(t)＝r_m(t-T)和v′_i(t)＝v_i(t-T)

步骤四：将主端、从端和主从端之间的遥操作通道设计为无源系统，主从端之间的连接关系为一个阻尼器的模型，具体表现为F_m与F_s大小相等，方向相反，且F_m＝b(v′_i-r_m)，其中b为一个正常数，通过实验确定；

步骤五：从端的每个飞行器i建模为R³中的自由质点，动力学方程为：

其中p_i∈R³是飞行器i的动量，阻尼力矩阵B_i∈R^3×3代表运动过程中施加在飞行器i上的各种阻尼，M_i∈R^3×3代表惯性矩阵，各飞行器的速度为其中K_i是动能，且

步骤六：为环境对从端领导飞行器产生的作用力，本发明中环境对飞行器产生的人工势场表现为排斥势，以防飞行器与障碍物碰撞对机器造成损坏；该排斥作用势的特点为，在障碍物影响范围ρ₀之外，作用势为0；否则为相应的作用力为作用势对相对距离d_i,env的负梯度；

步骤七：在从端，为相邻的飞行器设计虚拟势场，从端的飞行器只有与其相邻的飞行器之间存在这种势场，这里的相邻指飞行器i能够收到飞行器j发送的数据；对于两个飞行器，它们之间距离d_ij的测定依赖于测距传感器；当两个飞行器之间的相对距离等于预设的距离时，它们之间的势场为零；当相对距离大于预设的距离时，势场为表现为吸引势；当相对距离小于预设的距离时，势场为排斥势；这种势场E(d_ij)采用虚拟弹簧模型，作用力代表虚拟弹簧的输出；F_i^a为与飞行器i的邻居飞行器对其产生的作用力的合力，