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专利号: 2020115093127
申请人: 杭州电子科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 控制;调节
更新日期:2024-02-26
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种四旋翼飞行器编队追踪控制方法,其特征在于,该方法具体包括以下步骤:步骤一:首先给出四旋翼无人机的动力学模型,详细操作如下:无人机的四个输入由四个旋翼产生,得到四个旋翼拉力和三个轴向力矩,四个旋翼的合拉力为Ti,力矩为 τφ,i为横滚力矩,τθ,i为俯仰力矩,τψ,i为偏航力矩,i表示第i个无人机;如果四个旋翼的转速分别为w1,i,w2,i,w3,i,w4,i,得其中b表示旋翼拉力系数,k表示反扭矩系数,l表示无人重心距旋翼的距离;合拉力Ti垂直于机体表面向上;

根据牛顿定理以及忽略空气阻力,得到在地理坐标系下的无人机运动方程其中kx,i、ky,i、kz,i分别表示三轴的空气阻力系数,φi表示第i个无人机横滚角,θi表示第i个无人机俯仰角,ψi表示第i个无人机偏航角,g是重力加速度,mi是第i个四旋翼无人机的机体质量;

根据欧拉方程

M表示作用在无人机上的合力矩,ω表示姿态角速度, 表示姿态角速度的导数,×表示叉乘,I表示转动惯量;因此可得无人机姿态动力学模型;

其中, 表示空气阻力在机体坐标系三个主轴方向产生的力矩,Ix,Iy和Iz表示三个轴上的惯性矩, 表示第i个无人机横滚角的一次导, 表示第i个无人机俯仰角的一次导, 表示第i个无人机偏航角的一次导;

步骤二:采用固定时间一致性理论设计协同控制算法,从而得到无人机的虚拟位置和虚拟速度,具体步骤如下:

首先根据单个智能体的一阶积分系统其中,xi(t)、ui(t)分别表示第i个智能体t时刻的位置和控制输入;基于一致性协议可得如下控制器:

其中aij表明了第i架和第j架无人机之间的通信状态,xj(t)表示第j个智能体t时刻的位置;在此控制器的作用下,确保各智能体状态到达一致性;即当t→∞,有xi(t)→xj(t),即xi(t)和xj(t)达到一致性;

多无人机为多智能体中的一种;在一致性理论的基础上,对控制器进行改进,得到固定时间一致性控制器如下

其中γ1>0,γ2>0,γ3>0,γ4>0,a>0,b>0,其均为系数, 分别表示第j架无人机t时刻的虚拟速度和虚拟位置,第 表示第i架无人机t时刻的虚拟速度和虚拟位置, 表示 的一次导数, 表示 的一次导数,aij表明了第i架和第j架无人机之间的通信状态,即无向通信拓扑图邻接矩阵的元素,当第i架和第j架无人机之间存在信息交换,则aij=1,反之aij=0;该协同算法能够使得n架无人机的虚拟状态在固定时间内达到一致性, 和

步骤三:在第二步得到固定时间一致性算法的基础上,让无人机按照期望的编队形态进行编队,步骤如下:

虽然虚拟位置能够达到一致性,但期望的虚拟编队还没完成,需要加入偏量形成期望的编队形态,基于第二步结果,重新设计成:其中σi和σj是常系数,且dij=σi‑σj,dij表示第i架无人机和第j架无人机之间期望的距离,通过上述算法使得虚拟位置达到期望的编队形态,步骤四:基于上述的协同控制算法,跟踪控制算法中的位置控制器和姿态控制器保证虚拟位置 和虚拟速度 分别是真实位置ri和真实速度vi的追踪目标,当追踪任务完成后,期望的编队形态和速度一致性将会实现;具体步骤如下:采用PID算法设计四旋翼的位置控制器和姿态控制器,首先根据虚拟状态和真实状态的误差:

因此位置控制器 设计如下:

其中k1>0,k2>0,k3>0,为PID参数;位置控制器表示为:在姿态控制器中,由于期望的偏航角始终为零,即 通过俯仰角和横滚角来改变四旋翼的状态;进一步的,设计姿态控制器,姿态角控制器 设计如下:

其中k4>0,k5>,k6>0, 在姿态动力学模型中为:因此在求得姿态控制器 后,代入式(14),求出期望的力矩值τiT

=[τφ,i,τθ,i,τψ,i];通过期望的力矩值便能得到无人机的俯仰角和横滚角;

步骤五:根据上述控制方法,通过修改dij从而按照期望的编队形态迅速实现编队飞行。