[发明专利]四旋翼无人机一致性编队控制方法

说明书

本发明公开了一种四旋翼无人机一致性编队控制方法，包括利用反馈线性化方法将四旋翼无人机非线性数学模型进行简化，并利用解耦控制将简化后的非线性数学模型转化为四个相互之间无耦合的高阶线性子系统；利用代数图论和矩阵分析，采用位置偏差矩阵描述编队队形，设计了一种固定拓扑结构下的高阶一致性编队控制算法，并分析得到各线性子系统在该算法下实现一致性的充分条件。本发明将四旋翼无人机数学模型处理为高阶线性子系统，并采用高阶一致性编队控制方法，更加符合实际应用；在该算法下可以实现四旋翼无人机的编队集结和编队队形变化等行为。

技术领域

本发明涉及无人机编队控制领域，具体涉及一种四旋翼无人机一致性编队控制方法。

背景技术

四旋翼飞行器作为无人机的一种,通过四个无刷电机的转速就可以实现飞行控制，操作简单，具有体积小、造价低、机动灵活、能垂直起降和自由悬停等诸多优点，因此已成为全世界航天领域研究的重要方向之一。四旋翼无人机的诸多优点决定了其广泛的应用范围：军用方面，它既能执行各种非杀伤性任务，又能执行各种软硬杀伤性任务，如侦察、监视、目标截获、诱馆、攻击、通信中继等；民用方面，它在大气监测、交通监控、资源勘探、电力线路检测、森林防火等方面也具有广泛的应用前景。

一致性编队控制，作为多智能体协同控制领域的一个重要分支，是指智能体利用与之通信的邻居智能体的状态信息更新自身的状态，并最终使所有智能体状态达到一致的过程，近年来引起了国内外众多研究人员的兴趣。以四旋翼无人机为研究对象的一致性编队控制是其重要课题之一，与单架四旋翼无人机相比，在面对复杂化和多样化的任务需求时编队控制具有更强大的优势。而在四旋翼无人机一致性编队控制中，一个核心的问题是如何利用好自身和邻居四旋翼的信息来设计分布式控制策略(算法),使得所有的四旋翼的状态可以达到一致。目前，大多数研究成果都是将四旋翼无人机描述为二阶积分器动力系统，但在实际运用中，有时不仅仅需要位置与速度信息的一致，甚至会要求加速度信息的协调统一，所以针对四旋翼无人机的高阶一致性编队控制研究具有更重要的理论与现实意义。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种四旋翼无人机一致性编队控制方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的四旋翼无人机一致性编队控制方法，包括如下步骤：

步骤S1，利用反馈线性化方法将四旋翼无人机非线性数学模型进行简化得到简化后的非线性数学模型；利用解耦控制将简化后的非线性数学模型转化为X方向、Y方向、Z方向以及偏航角四个相互之间无耦合的高阶线性子系统；

步骤S2，采用四个相互之间无耦合的高阶线性子系统表示每架无人机的数学模型得到四旋翼无人机编队系统；并根据代数图论和矩阵分析以及采用位置偏差矩阵描述编队队形，采用分布式一致性控制算法，使编队系统中各架无人机在X方向、Y方向、Z方向位置变量保持稳定差值同时姿态角趋于零；

步骤S3，将一阶一致性控制算法收敛性分析拓展到高阶系统，根据四旋翼无人机一致性判定条件判断是否实现四旋翼无人机一致性编队控制。

在以上技术方案中，所述四旋翼无人机非线性数学模型表达式如下：

其中m为四旋翼无人机的质量，g为重力加速度，r为机体坐标系相对惯性坐标系的位置，其表达式为r＝[x y z]^T；η为姿态角，其表达式为其中φ为滚转角，θ为俯仰角，为偏航角；I＝diag(I_x,I_y,I_z)为转动惯量矩阵，(U₁,U₂,U₃,U₄)为系统与电机转速相关的四个虚拟控制输入量。

进一步地，步骤S1具体包括：