[发明专利]分布式无人机队列与动态避障控制方法

说明书

本发明涉及一种四旋翼无人机的协同队列控制与动态避障控制方法，为实现无人机集群巡航任务与巡航路径上的协同避障。为此，本发明采用的技术方案是，分布式无人机队列与动态避障控制方法，采用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。本发明主要应用于无人机的协同队列控制与动态避障场合。

技术领域

本发明涉及一种四旋翼无人机的协同队列控制与动态避障控制方法。针对多无人机集群飞行中的协同巡航任务需求，并考虑巡航过程中的避障问题，设计了一套基于一致性协议的分布式多无人机队列控制与动态避障控制算法。

背景技术

多无人机协同飞行具有探测范围大、负载能力高和环境适应能力强等突出的优点，能够完成复杂的飞行任务和提高整体工作效率，成为近年来无人机领域的研究热点。自主巡航是多无人机执行协同飞行任务的基本方式之一，在军事演练、交通管制、区域侦查和电力巡检等应用场景发挥着重要的作用。因此，研究多无人机的协同巡航控制具有重要的应用价值。

在多无人机执行协同飞行任务的过程中，队形的建立与保持是完成任务的基础，由此产生的协同控制问题既是核心也是难点。目前，多无人机队形控制方法主要有Leader-Follower(领航-跟随)法、基于行为法、虚拟结构法和一致性法等，国内外许多学者对其进行了深入的研究，获得了丰富的研究成果。但在上述方法中，无人机群多采用相对位置矢量或虚拟结构的方法来构成和保持队形，其协同飞行主要通过给定时变的编队中心函数实现，在实际的巡航过程中，多架无人机需要沿相同的期望路径完成协同飞行任务，各无人机间的相对位置和速度矢量时刻变化。同时，考虑巡航任务的实质为路径跟踪问题，即巡航路径为时不变的给定空间路径，其无需表达为具有时变参数的轨迹形式，也不需要无人机在某一时刻到达特定的期望位置，因此直接采用传统的多无人机编队方式设计巡航控制策略具有一定困难。为解决上述问题，一些学者提出了TFL(Transverse FeedbackLinearization,轴切向线性化)方法，将系统状态映射到与期望路径相切和相交的空间上，实现运动系统对固定路径的跟踪。瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员基于TFL方法研究了具有路径限制的多无人机控制问题，实现在同一期望路径上的机间协同，并通过实物实验验证了所设计控制器的有效性(会议：IEEE Conference on Control Technology andApplications；著者：Sun J W,Gill R；出版年月：2019；文章题目：Vehicle platooncontrol with virtual path constraints；页码：456-461)。