[发明专利]基于二阶一致性和自抗扰的多四旋翼主从式协同编队控制方法

说明书

本发明公开了一种基于二阶一致性和自抗扰的多四旋翼主从式协同编队控制方法。针对多四旋翼编队飞行过程中几何队形生成、稳固保持和协同抗干扰问题，提出了一种可应对外部环境干扰和气动参数不确定性的多四旋翼主从式协同编队控制方法：首先，建立存在外部干扰的四旋翼运动学/动力学模型；其次，设计多四旋翼主从式通讯拓扑和编队样式以及领航者的位置和速度信息；然后，构造多四旋翼分布式位置保持控制器，为后续姿态控制器构造提供必要的期望指令；最后，构造基于自抗扰控制的多四旋翼姿态跟踪控制器。所提编队控制方法可以在局部智能体通信的前提下显著改善四旋翼编队系统的抗干扰能力，提升干扰环境下多四旋翼编队几何构型的稳固性。

技术领域

本发明涉及导航制导方向，多四旋翼编队领域，具体为一种基于二阶一致性和自抗扰的多四旋翼主从式协同编队控制方法，主要应用于存在外部干扰以及参数不确定性的多四旋翼编队任务。

背景技术

多四旋翼协同编队指的是多四旋翼通过保持预定的空间几何拓扑形态，借助全局或局部信息交互与共享，实现多旋翼系统的群体集聚行为，形成多智能体系统的协同超越能力，为执行单体所无法胜任的复杂性任务提供有效的解决方案。例如，多四旋翼可采用合理的编队飞行替代士兵执行恶劣、危险环境下诸如目标侦查、敌情搜集等军事任务，也可用于复杂山区地形环境人员搜救、矿产勘测等民用场合，可极大地弥补单体获取环境信息不完整、时效性不足的弊端，具有重要的军/民两用研究价值与迫切的现实意义。

多四旋翼协同编队控制作为多智能体系统协同控制理论的应用实例之一，与无人车、无人船等二自由度运动体编队相比，在控制器构造与综合方面更具挑战性，表现在：(1)四旋翼本身为欠驱动、强非线性的多输入多输出六自由度系统，为保证编队几何队形的稳固性，必须使得编队飞行过程中各四旋翼的位置、速度等协调变量趋于一致。然而，目前多智能体一致性理论大多针对低阶、线性等理想质点运动学模型展开，无法直接适用于多四旋翼编队系统模型；(2)四旋翼的空气动力学参数受限于缺乏相应测量仪器无法精确获得，给模型带来了较大参数不确定性。此外，四旋翼空间飞行过程中不可避免遭受外部未知风扰的影响，上述因素给四旋翼的编队保持抗干扰控制器构造带来了困难。因而，迫切需要在考虑编队几何构型约束和参数不确定性以及外部干扰的情况下，构造适用于四旋翼典型动力学特征并具有强鲁棒性的多四旋翼协同编队控制方法。

发明内容

本发明为了解决多四旋翼编队飞行过程中几何队形生成、稳固保持和协同抗干扰的问题，基于领航者—跟随者的协同控制策略，提供了一种基于二阶一致性和自抗扰的多四旋翼主从式协同编队控制方法。

本发明是通过如下技术方案来实现的：一种基于二阶一致性和自抗扰的多四旋翼主从式协同编队控制方法，包括如下步骤：

(1)建立存在外部干扰的四旋翼运动学/动力学模型；

(2)利用代数图论知识，设计多四旋翼主从式通讯拓扑和编队样式以及领航者的位置和速度信息；

(3)针对步骤(1)中建立的四旋翼运动学模型和步骤(2)中的多四旋翼通讯拓扑和编队样式以及领航者的位置和速度信息，构造适用于主从式编队任务且具有渐近收敛能力的多四旋翼分布式位置保持控制器，为后续姿态控制器构造提供期望指令；

(4)针对步骤(1)中建立的四旋翼动力学模型和步骤(3)生成的姿态期望指令，构造基于自抗扰控制的多四旋翼姿态跟踪控制器。

本发明所提供的基于二阶一致性和自抗扰的多四旋翼主从式协同编队控制方法，具体为在四旋翼轨迹回路中引入二阶一致性理论，结合代数图论和通信拓扑，以领航者位置作为动态编队的几何中心，将多四旋翼期望几何队形生成和保持问题转化为从机位置一致性跟踪与领航者的相对位置偏差控制问题，从而构造具有渐近收敛能力的多四旋翼分布式位置保持控制器；对于姿态回路的参数不确定性和外部干扰，借鉴自抗扰控制思想，将参数不确定性和外部干扰视为集总扰动，采用扩张状态观测器对其进行在线观测与补偿，实现对于给定姿态的高精度跟踪控制。