一种四旋翼无人机固定时间分布式自适应编队控制方法

技术领域

本发明涉及飞行器智能控制领域，具体为考虑多四旋翼无人机编队飞行的固定时间分布式自适应控制方法。

背景技术

四旋翼无人机由于其结构轻巧，造价低廉，灵活性高等优点，被广泛应用于如高层建筑消防救援、农业植物保护等领域。随着应用需求的逐渐增高，多无人机协同编队飞行成为近年来的研究热点，其在抢险救灾、军用侦查和集群作战等方面都体现出更卓越的性能。为了满足一系列复杂的协同编队飞行的任务，更快速的响应速度在避免碰撞、快速到位等方面至关重要。文献(李磊，李小民，杨森.基于单位四元数的四旋翼编队反演控制方法，《计算机测量与控制》，2016年)考虑了四旋翼编队反步控制方法，但并未考虑执行器的收敛时间；专利(CN116149357A：杨闯，郭政业，王剑波，许嘉，雷宜安.一种多无人机分布式编队控制方法，《信息科技》，2023年)设计了有限时间观测器，但有限时间控制对系统状态初值较为敏感，不利于实现。因此，考虑固定时间收敛的分布式跟踪控制问题十分重要且有意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种四旋翼无人机固定时间分布式自适应编队控制方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种四旋翼无人机固定时间分布式自适应编队控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，基于有向图图论，结合多无人机之间的信息交互关系，构建一个领导-跟随模式的多无人机通信拓扑模型；

步骤2，基于牛顿-欧拉方程，构建四旋翼无人机动力学模型，确定编队控制目标下每台飞机的协同一致性误差；

步骤3，根据固定时间稳定性理论，使用反步法构建固定时间控制器，引入一个连续的开关函数，将控制器中状态空间划分为两个独立的部分；并引入模糊逻辑系统逼近控制器中的非线性函数，完成四旋翼无人机固定时间分布式跟踪控制；

步骤4，对位移数据进行可视化处理，获得整个四旋翼无人机编队系统的运动轨迹。

进一步的，步骤1，基于有向图图论，结合多无人机之间的信息交互关系，构建一个领导-跟随模式的多无人机通信拓扑模型，具体如下：

将多无人机通信拓扑模型用G＝{V，E，A}表示，其中V＝{v

进一步的，步骤2，基于牛顿-欧拉方程，构建四旋翼无人机动力学模型，确定编队控制目标下每台飞机的协同一致性误差，具体方法为：

(1)四旋翼无人机的动力学模型表示如下：

其中x，y，z为无人机的位置，φ，θ，ψ为无人机的滚转角、俯仰角和偏航角，[τ

令无人机状态x

(2)定义n个跟随飞机中i的协同一致性误差为：

其中η

协同一致性误差的导数为：

其中

进一步的，步骤3，根据固定时间稳定性理论，使用反步法构建固定时间控制器，并引入模糊逻辑系统逼近控制器中的非线性函数，完成四旋翼无人机固定时间分布式跟踪控制，具体方法为：

使用反步法设计固定时间控制器

(1)选取第一个李雅普诺夫函数：

对式(5)求导可得；

设计虚拟控制量α

(2)引入开关函数

引入一个连续的开关函数Θ(η

其中η

加入开关函数后，虚拟控制量α

在协同一致性误差接近0时，该切换函数可以在零点处避免奇点问题；

(3)选取第二个李雅普诺夫函数：

其中

(4)使用模糊逻辑系统逼近非线性函数f

其中W为模糊逻辑系统权值，φ为模糊逻辑系统基函数，使用高斯函数，常数

根据杨氏不等式，有：

其中θ＝W

(5)设计控制器u：

将(16)带入(15)得：

设计(17)中自适应率：

自此，在固定时间控制器(16)和自适应律(18)的作用下，四旋翼无人机的实际位置能在固定时间内跟上其期望编队位置，且当系统状态过零点时控制器不会因为奇点问题而失效。

进一步的，步骤4，对位移数据进行可视化处理，获得整个四旋翼无人机编队系统的运动轨迹，具体方法为：

在MATLAB中对每台无人机位移列阵进行可视化处理，得到整个编队系统的不同时刻的位形轨迹图。

一种四旋翼无人机固定时间分布式自适应编队控制方法，其特征在于，基于权利要求1-5任一项所述的四旋翼无人机固定时间分布式编队控制方法，实现考虑领航-跟随模式的四旋翼无人机固定时间编队跟踪控制。

一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，基于权利要求1-5任一项所述的四旋翼无人机固定时间分布式跟踪控制方法，实现多四旋翼无人机编队系统的固定时间分布式跟踪控制。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，基于权利要求1-5任一项所述的四旋翼无人机固定时间分布式跟踪控制方法，实现多四旋翼无人机编队系统的固定时间分布式跟踪控制。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)由于采用了固定时间稳定性理论，本发明相较于有限时间控制算法，可在不考虑系统初值的情况下实现控制；(2)引入模糊逼近理论，使得所设计的控制方法能处理建模过程中的复杂非线性函数；(3)引入一种新的切换函数，解决固定时间控制器中状态过零点时会出现的奇点问题(4)设计固定时间控制相对于渐近跟踪控制，不仅使得跟踪误差在有限时间内达到控制目的，而且增加了控制器的抗干扰性。

附图说明

图1是有向图通讯拓扑示意图。

图2是四旋翼无人机的结构示意图。

图3是本发明所提出的控制器设计方法流程图。

图4、5是仿真实施结果图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本发明提出一种四旋翼无人机固定时间分布式自适应编队控制方法，首先建立一个领导-跟随模式的编队交互系统；其次构建基于欧拉角的四旋翼无人机动力学模型，确定编队跟踪误差；然后引入一种开关函数，以解决控制器求解过程中的奇点问题；最后利用反步法和模糊逼近理论完成固定时间分布式跟踪控制器的设计，并通过Lyapunov稳定性理论及实施实例验证控制方法的有效性。方法流程图如图3所示，具体步骤如下：

步骤1，基于有向图图论，结合多无人机之间的信息交互关系，构建一个领导-跟随模式的多无人机通信拓扑模型，具体如下：

将多无人机通信拓扑模型用G＝{V，E，A}表示，其中V＝{v

步骤2，基于牛顿-欧拉方程，构建四旋翼无人机动力学模型，确定编队控制目标下每台飞机的协同一致性误差，具体方法为：

(1)四旋翼无人机的动力学模型表示如下：

其中x，y，z为无人机的位置，φ，θ，ψ为无人机的滚转角、俯仰角和偏航角，[τ

令无人机状态x

控制器u＝[τ

(2)定义n个跟随飞机中i的协同一致性误差为：

其中η

协同一致性误差的导数为：

其中

步骤3，根据固定时间稳定性理论，使用反步法构建固定时间控制器，并引入模糊逻辑系统逼近控制器中的非线性函数，完成四旋翼无人机固定时间分布式跟踪控制，具体方法为：

使用反步法设计固定时间控制器

(1)选取第一个李雅普诺夫函数：

对式(5)求导可得；

设计虚拟控制量α

(2)引入开关函数

引入一个连续的开关函数Θ(η

其中η

加入开关函数后，虚拟控制量α

在协同一致性误差接近0时，该切换函数可以在零点处避免奇点问题；

(3)选取第二个李雅普诺夫函数：

其中

(3)使用模糊逻辑系统逼近非线性函数f

其中W为模糊逻辑系统权值，φ为模糊逻辑系统基函数，本文使用高斯函数，常数

根据杨氏不等式，有：

其中θ＝W

(4)设计控制器u：

将(16)带入(15)得：

设计(17)中自适应率：

自此，在固定时间控制器(16)和自适应律(18)的作用下，四旋翼无人机的实际位置能在固定时间内跟上其期望编队位置，且当系统状态过零点时控制器不会因为奇点问题而失效。

步骤4，对位移数据进行可视化处理，获得整个四旋翼无人机编队系统的运动轨迹，具体方法为：

在MATLAB中对每台无人机位移列阵进行可视化处理，得到整个编队系统的不同时刻的位形轨迹图。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。