[发明专利]多无人机固定时间指定性能分布式姿态控制方法

说明书

本发明涉及多无人机固定时间指定性能分布式姿态控制方法,结合固定时间指令滤波、非光滑误差补偿机制和Backstepping方法，提出固定时间指令滤波Backstepping设计方法，不仅解决维数爆炸问题而且在固定时间内消除了滤波误差的影响，设计基于相对阈值的事件触发分布式控制器，大大减少控制器的更新次数，有效减轻多无人机的通讯负担。设计固定时间指定性能函数，在固定时间内保证多无人机同步误差的暂态性能和稳态性能，如最大超调量、收敛速度和稳态误差等，且多无人机同步误差在任何时间内一直在指定性能边界内。

技术领域

本发明涉及一种多无人机固定时间指定性能分布式姿态控制方法，属于无人飞行器自动控制技术领域。

背景技术

近年来，多四旋翼无人机凭借垂直起降、灵活部署和精准悬停等优势，在工业生产和学术领域中有着广泛的应用前景，包括但不限于高层建筑消防、森林火灾救援和交通道路监管。值得注意的是，每架无人机存在高度非线性、强耦合和参数不确定的性质，而且每架无人机仅能获得部分的邻居信息。当多无人机在执行复杂任务时，如何在有外部干扰、环境限制等情况下使每架无人机快速保持平稳一致的飞行姿态，关键在于姿态飞行控制设计的优劣。因此，研究多无人机固定时间指定性能分布式姿态控制是十分重要的且具有挑战性的问题。

目前，常见的无人机飞行控制技术主要有反步控制和动态面控制。尽管动态面控制算法通过引入一阶滤波将微分运算转化为差分运算，解决了反步控制中因对虚拟控制信号反复微分引发的“维数爆炸”问题，但是未考虑滤波误差对控制性能的影响。而且大部分飞行控制方案仅能保证无人机实现渐进收敛，虽然有限时间控制具有收敛速度快和鲁棒性强的优点，但是收敛时间严重依赖于系统的初始状态。特别是当无人机初始状态不可测或不可获得时，这些有限时间控制策略可能会失效。此外，部分控制算法仅确保无人机的稳态性能而忽视了瞬态性能，在实际中，过大的瞬态误差可能会导致无人机飞行失稳甚至坠机。另一方面，基于时间触发的飞行控制策略需要控制器维持长时间的快速采样，这不仅会造成执行器的机械磨损，还会浪费大量通讯资源，增加通讯负担。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种多无人机固定时间指定性能分布式姿态控制方法，不仅解决“维数爆炸”问题而且在固定时间内消除滤波误差的影响，在事件触发机制框架下设计固定时间指定性能函数确保多无人机的同步误差被约束在预设的性能边界内。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

多无人机固定时间指定性能分布式姿态控制方法，特点是：

考虑由一个领导者和N个跟随者构成的多无人机系统，其中第i个无人机的姿态动力学模型建立如下：

其中φ_i，θ_i，ψ_i分别表示为横滚角、俯仰角和偏航角；J_i，x，J_i，y，J_i，z分别是无人机关于x，y，z三个方向上的转动惯量；G_i，φ，G_i，θ，G_i，ψ是空气阻力系数；D_i，φ，D_i，θ，D_i，ψ为无人机受到的外部扰动；U_i，φ，U_i，θ，U_i，ψ是机体坐标系三个方向上的控制力矩；

为简化多无人机的分布式控制设计，模型(1)可转化为：

其中i＝1，2，...，N，j＝1，2，3，(X_i，1，1，X_i，2，1，X_i，3，1)＝(φ_i，θ_i，ψ_i)，且满足ω_i，j和Y_i，j分别是第i个无人机的控制输入和系统输出；