[发明专利]分布式无人机队列与动态避障控制方法

权利要求书

1.一种分布式无人机队列与动态避障控制方法，其特征是，采用Transverse FeedbackLinearization(TFL)方法对四旋翼无人机的动力学模型进行微分同胚映射变换,使其分解为沿期望路径方向的切向子系统和与期望路径相交的横向子系统，然后分别在横向子系统中设计非奇异快速终端滑模控制器使无人机的运动收敛于期望路径，在切向子系统中设计结合一致性与势场法的协同与避障控制算法，进而实现多无人机协同巡航任务以及巡航过程中的动态障碍规避。

2.如权利要求1所述的分布式无人机队列与动态避障控制方法，其特征是，具体步骤如下：

定义地面惯性坐标系{I}、队列中的第i架四旋翼无人机的机体坐标系{B⁽ⁱ⁾}，同时定义第i架四旋翼无人机在惯性坐标系{I}下的位置p⁽ⁱ⁾＝[x⁽ⁱ⁾,y⁽ⁱ⁾,z⁽ⁱ⁾]^T和线速度向量借助上述定义可建立四旋翼无人机的动力学模型如下所示：

上式中m⁽ⁱ⁾为第i架无人机的质量，g为重力加速度，为总升力大小，e_z＝[0,0,1]^T为沿Z轴正方向的单位向量，R⁽ⁱ⁾(t)为机体坐标系{B⁽ⁱ⁾}到惯性坐标系{I}的旋转矩阵，考虑多无人机协同飞行过程，各无人机的姿态变化平稳，可对中的动力学模型做如下简化，定义虚拟控制输入:

则中的动力学模型简化为

其中状态向量I₃表示3×3义的单位矩阵；

在使用TFL方法研究路径跟踪问题时，需要根据期望路径选取合适的映射，将运动系统分解为不同的子系统分别进行控制器设计，首先给定期望巡航路径方程δ如下所示：

上式中确定了三维空间中一条光滑无自交的封闭路径，其中r,为路径参数，选定四旋翼无人机系统的虚拟输出方程为

设计辅助函数Γ(ξ)和Π(ξ)为

其中为无人机沿期望路径方向经过的圈数，θ_δ＝2πr为封闭路径的周长，记为的第i个分量，r_i为的相对阶，分别对求r_i阶Lie导数，得到如下形式：

上式中K(ξ),L(ξ)为TFL输入变换矩阵，当r_i满足时L(ξ)可逆，故可设计解耦控制律ν实现解耦控制，根据虚拟输出构造微分同胚映射T⁽ⁱ⁾:使动力学模型变换为如下形式：

其中分别为各子系统的系数矩阵，上述为切向子系统，其状态η⁽ⁱ⁾(t)表示无人机在期望巡航路径上的运动状态；为横向子系统，其状态ζ⁽ⁱ⁾(t)表示无人机与期望巡航路径的偏差，通过设计控制器使ζ⁽ⁱ⁾(t)收敛于零即可达到无人机位置收敛于期望路径的控制目标；

对于横向子系统，设计非奇异快速终端滑模控制器，对于队列中的第i架无人机首先定义状态误差向量其中设计滑模面S⁽ⁱ⁾为

其中α,β为正常数,p,q为正奇数且满足2＞q/p＞1，设计控制律

其中为正常数控制增益，根据李雅普诺夫稳定性分析方法可以得出结论：在控制律的作用下，横向子系统状态误差收敛于零，即各架无人机能够收敛于期望巡航路径；

对于切向子系统，可将其表示为如下形式：

考虑无人机队列巡航过程中的障碍威胁，将障碍物视为圆柱体模型，根据其半径和位置设计如下的排斥场函数：

其中K_ob为斥力场的正增益系数，表示场强大小，r_safe为障碍物的安全区域半径，r⁽ⁱ⁾＝||Γ(p_ob)-Γ(p⁽ⁱ⁾)||，同时取k_δ≡0表示在期望路径方向上障碍物与第i架无人机之间的相对距离，d⁽ⁱ⁾为第i架无人机与障碍物之间的空间距离，对于队列中的第i架无人机，设计分布式避障控制律ν^||(i)(t)如下所示:

其中在巡航路径方向的期望速度α_ob,ρ为正常系数，Φ_i(·)为奇函数，且满足Φ_i′(·)≥0，sgn(Φ_i(x))＝sgn(x)，为多无人机通信拓扑图对应邻接矩阵的元素，表示拓扑结构上的相邻关系，为期望路径上相邻无人机之间的期望距离，为障碍物对在其安全区域范围内的第i架无人机产生的沿期望路径方向的斥力，其符号为正表示指向无人机群行进的正方向。

3.如权利要求1所述的分布式无人机队列与动态避障控制方法，其特征是，根据Lyapunov稳定性分析方法和拉塞尔不变性原理证明，在控制律(15)的作用下，当时间趋于无穷时，切向子系统能够收敛于给定的期望距离和期望速度，并且不会发生与障碍物的碰撞。