[发明专利]一种四旋翼无人机集群系统的编队控制方法

说明书

本发明公开了一种四旋翼无人机集群系统的编队控制方法，属于无人机控制技术领域。该方法包括建立悬停状态下四旋翼无人机的高阶线性模型；建立通讯拓扑模型并设置期望编队构型；获取初始状态信息以及初始化信息；根据高阶线性模型、通讯拓扑模型、期望编队构型、初始状态信息、初始化信息和所有邻居四旋翼无人机的实时状态信息确定编队控制律；根据分布式编队控制律实时更新四旋翼无人机的状态，使所有四旋翼无人机在预期的时间点准时完成编队任务。本发明能够大幅度弱化通讯网络的拓扑条件，极大程度减少非必要的通信链路从而降低通讯成本，同时四旋翼无人机集群完成编队的时刻可以由用户预先指定，从而能实现高时间精度要求下的准确编队。

技术领域

本发明涉及无人机控制技术领域，具体涉及一种四旋翼无人机集群系统的编队控制方法。

背景技术

集群无人机系统的协同编队是未来航天科技的一个重要发展趋势，当前已成为新的研究热点被广泛关注，发展十分迅速。由于四旋翼无人机具备成本低廉、垂直起降、精准悬停和灵活易用等优点，因此基于四旋翼无人机的集群编队方案被广泛应用于军事、民用领域。

目前流行的四旋翼无人机集群系统的编队控制技术主要采用分布式的控制策略，因为与传统的单被控对象系统相比，分布式编队技术仅基于本地相对测量信息来设计分布式协议，从而降低了系统的通讯成本，突破了系统在空间和数量规模上的限制，能增强系统的鲁棒性，延长系统寿命。

在很多实际场景中，对编队控制的时间精度要求较高。然而目前针对四旋翼无人机集群系统的编队方案大多数都是集中式的，少量的分布式方案，也都只能做到有限时间和固定时间收敛，这种状况下系统稳定时间被估计为保守上限，而不是达成控制目标的确切时刻。另一方面，分布式编队技术的一大优点是能够减少网络中的通讯成本，具体而言建模得到的通讯拓扑图越具有一般性，整体系统的通讯负荷就越小。当前诸多学者研究的关于四旋翼无人机集群编队的问题都是基于通讯拓扑是简单无向图或平衡图的情况，而针对更具普遍性的一般有向图的方案设计，目前尚未见相关报道。

因此，如何实现有向图上高阶线性四旋翼无人机集群系统的指定时间编队控制任务，是本领域技术人员有待解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种四旋翼无人机集群系统的编队控制方法，使得四旋翼无人机群组能在精准时刻达到预期编队效果。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种四旋翼无人机集群系统的编队控制方法，包括以下步骤：

S1、根据四旋翼无人机的动力学方程，利用线性化方法建立悬停状态下四旋翼无人机的高阶线性模型；

S2、建立四旋翼无人机集群系统的通讯拓扑模型，并设置期望编队构型；

S3、获取所有四旋翼无人机的初始状态信息，并分别设置每个四旋翼无人机的初始化信息；

S4、获取每个四旋翼无人机与邻居四旋翼无人机的相对运动信息，并根据高阶线性模型、通讯拓扑模型、期望编队构型、初始状态信息、初始化信息和所有邻居四旋翼无人机的实时状态信息，采用最优控制方法确定分布式编队控制律；

S5、根据确定的分布式编队控制律实时更新所有四旋翼无人机的实时状态信息，控制四旋翼无人机集群系统完成编队任务。

可选地，步骤S1中利用线性化方法建立的悬停状态下四旋翼无人机的高阶线性模型具体为：