一种四旋翼无人机集群系统的编队控制方法

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：

其中，

可选地，步骤S2中建立的四旋翼无人机集群系统的通讯拓扑模型具体为：

其中，

可选地，步骤S2中设置的期望编队构型具体为：

其中，

可选地，步骤S3中四旋翼无人机的初始化信息具体包括：

预期编队任务的完成时间，无人机在通讯过程中的采样时间序列，四旋翼无人机初始运行时间和初始采样时间参数。

可选地，所述无人机在通讯过程中的采样时间序列具体为：

其中，

可选地，步骤S4中确定的分布式编队控制律具体为：

其中，

本发明具有以下有益效果：

（1）本发明设计的四旋翼无人机集群编队方案，适用于任意数量、任意初始位置的四旋翼无人机个体，使其在任意预先指定的时刻下实现编队误差精准收敛到0，且其他状态量的导数收敛到0，从而实现编队保持。通过对所有四旋翼进行统一初始化，并实施所述采样序列，再运用指定时间控制技术来解决传统集群无人机系统中收敛时间保守性的问题。

（2）本发明所设计的无人机集群编队控制律是基于分布式的思想，每个四旋翼无人机利用传感器或通讯装置仅从邻居那里获取到相对运动信息，并以此做反馈更新自身的控制器，其较传统的集中式方案而言具有更强的鲁棒性和灵活性。其次，所设计的编队控制方案对网络通讯拓扑的需求仅仅是包含一棵生成树的有向图，相比目前大多数无向图的方案，本发明设计大幅度拓展了通讯网络的拓扑结构，极大程度减少了非必要的通信链路从而降低了通讯成本。最后，本发明所设计的四旋翼无人机集群编队控制方法，不仅只适用于四旋翼无人机这一种被控对象，还能进一步拓展到如所述线性模型描述下的其他集群智能体系统中，解决网络系统下诸如一致性问题、指定时间控制、无领导者编队等问题。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2是本实施例中单个四旋翼无人机的坐标系和建模示意图。

图3是本实施例中七架四旋翼无人机之间的通信拓扑关系图。

图4是本实施例中四旋翼无人机集群系统在X-Y平面上的编队效果图。

图5是本实施例中各四旋翼无人机在X方向上的运动轨迹图。

图6是本实施例中各四旋翼无人机在Y方向上的运动轨迹图。

图7是本实施例中各四旋翼无人机在X方向上的编队误差变化图。

图8是本实施例中各四旋翼无人机在Y方向上的编队误差变化图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，本发明实施例提供了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至S5：

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；

在本发明的一个可选实施例中，四旋翼无人机集群系统至少包括两架四旋翼无人机，单个四旋翼无人机的动力学方程描述如下：

如图2所示，其中

在悬停点处有

其中，

为了降低维度，这里不失一般性地只考虑二维编队的情况，下面只考虑沿

进一步考虑多无人机的情况，用下标

其中，

令

其中

具体而言，本实施例以7架四旋翼无人机构成某无人侦查系统为例，当前暂无任务所以随机散布在3维空间中自由活动。某一时刻突然接到上级的紧急任务，需要在最短时间内侦查并跟踪上某敌方目标，并在

首先，对7架四旋翼进行从1到7的编号，并通过设置

其次，四旋翼无人机能时刻悬停在空中，所以每个四旋翼无人机应用平衡点处的线性化模型：

。

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；

在本发明的一个可选实施例中，

，/>

其中，

设置预期编队构型为

具体而言，构建7架四旋翼无人机之间的通讯拓扑如图3所示，其中每条通信链路上的权重

，

，

，

，

，

，

。

从而得到每个四旋翼无人机的编队构型为：

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；

在本发明的一个可选实施例中，本实施例中设置的每个四旋翼无人机的初始化信息包括预期编队任务的完成时间

其中设置采样时间序列为：

其中，

具体而言，本实施例首先获取所有四旋翼无人机的初始位置信息。在范围为

然后设置采样时间序列。假设上级下达的指令中要求编队任务完成的时间为

为避免采样间隔

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；

在本发明的一个可选实施例中，基于最优控制方法，在控制区间

其中，

上述代价函数对应的哈密顿函数为：

其中，

在

其中，

根据最优控制方法，求解代价函数及其哈密顿函数和终端条件对应的正则方程、极值条件，最终得到在全局输入能量最小约束条件下分布式四旋翼无人机集群编队控制律的解析式：

其中，

控制律

，/>

其中，

具体而言，本实施例中每个四旋翼无人机利用传感器或通讯装置从邻居无人机那里获取到相对运动信息，并根据初始信息和期望编队构型按如下控制率进行反馈控制：

。

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。

在本发明的一个可选实施例中，在控制时域

具体而言，每个四旋翼无人机接收到控制信号

四旋翼无人机集群系统的编队控制仿真结果，如图4至图8所示。图4展示了四旋翼无人机集群系统在二维平面上的编队效果图，其选取编队形成过程中的6个代表画面，清晰直观地展现了7架四旋翼无人机从最初无序的队形到最终编队成型的演变过程。其中，当

图5描述了7架四旋翼无人机的

图7、图8分别是

从上述结果整体来看，本实施例所提出的四旋翼无人机集群系统编队控制方法，可以根据实际需求在规定的时间内快速准确地形成编队，完成合围任务。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。