考虑输入饱和的多无人机连通性保持控制方法

本发明属于航空，具体涉及考虑输入饱和的多无人机连通性保持控制方法。

背景技术：

1、多无人机的编队控制由于其在遥感、搜索和救援、实时监测、监视等方面的潜在应用而受到越来越多的关注。常见的编队控制方法分为集中式的控制和分布式的控制，集中式协同控制的基本思想是：将无人机的状态信息集中于中央处理器中，通过中央处理器对无人机的轨迹进行优化控制，集中式的控制方法的计算量大，系统的抗毁性差、鲁棒性低。分布式协同控制的基本思想是，通过将无人机的状态信息传递给其相邻的无人机，每个无人机根据收到的信息和自身的动态，分布式地计算自己的控制量，使得无人机的状态能够达到一致或同步，从而实现无人机的协同控制，分布式的控制方法的计算量较小，鲁棒性强，因此本发明选择分布式的控制方法。对于一个分布式的多无人机控制算法来说，得到其相邻无人机的信息十分重要，连通性保持就是为了维护无人机之间的通信，所以连通性保持问题是分布式编队控制所面临的一个十分重要的问题。

2、对于一个实际系统，控制执行机构的能力极限实际上就是控制系统中的输入饱和。对于无人机系统，其输入饱和就是无人机电机的最大输出，不考虑输入饱和问题会导致电机过载，电机过载会导致电机发热从而导致电机的寿命缩短，甚至导致电机损坏。一般的控制算法往往为了追求控制效率而忽略输入饱和问题，而导致控制算法无法应用到实际的无人机上。因此如何处理输入饱和无人机控制问题需要进一步研究和分析。

3、综上所述，需要提出一种考虑输入饱和控制算法以解决多无人机连通性保持编队控制问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供考虑输入饱和的多无人机连通性保持控制方法，利用势场函数调节无人机之间的距离，利用饱和函数限制虚拟控制器的输出，并计算期望的姿态轨迹，利用姿态控制器跟踪期望姿态。

2、本发明所采用的技术方案是，考虑输入饱和的多无人机连通性保持控制方法，具体按照以下步骤实施：

3、步骤1、建立无人机编队的位置和姿态模型；

4、步骤2、分析编队过程中的通信约束，并通过代数图论描述多无人机的拓扑网络；

5、步骤3、设计兼顾连通性保持和执行器输入饱和的分布式位置控制方法，根据位置控制器得到期望姿态，并设计基于有限时间的姿态跟踪控制算法对期望姿态进行跟踪。

6、本发明的特点还在于，

7、步骤1具体按照以下步骤实施：

8、定义一组无人机系统，无人机i的位置为pi＝[pix,piy,piz]，其中pix为第i架无人机的x方向的位置，其中piy为第i架无人机的y方向的位置，其中piz为第i架无人机的z方向的位置，速度为其中为第i架无人机的x方向的速度，其中为第i架无人机的y方向的速度，其中为第i架无人机的z方向的速度，姿态角ψi＝[φi,θi,ψi]，其中φi为第i架无人机的滚转角，其中θi为第i架无人机的偏航角，其中ψi为第i架无人机的俯仰角，角速度为其中为第i架无人机的滚转角速度，其中为第i架无人机的偏航角速度，其中为第i架无人机的俯仰角速度，旋转矩阵ri∈so(3)用于描述无人机的姿态，故无人机在惯性坐标系下的位置动力学建模表示为：

9、

10、其中，mi是无人机的质量，ci＝diag(0.01,0.01,0.01)为气动阻尼系数，e3＝[0,0,1]t，重力加速度g＝9.81m/s2，ti为四个旋翼所提供的升力；旋转矩阵ri定义为：

11、

12、令ui＝tirie3-mige3，将模型改写为：

13、

14、定义无人机的姿态模型为：

15、

16、其中，ji＝[ji,φ,ji,θ,ji,ψ]为转动惯量，ki＝[ki,φ,ki,θ,ki,ψ]为空气阻尼系数，li为旋翼中心与无人机中心之间的距离，ci为常力矩系数，τi＝[τi,φ,τi,θ,τi,ψ]为虚拟控制力；

17、步骤2具体按照以下步骤实施：

18、设一个由n架无人机组成的无人机群，其通信图定义为其中为图的点集，而为图的边集，将每个无人机看作图中的点，将无人机之间的通信看作图中的边，定义图的邻接矩阵当两架无人机之间的距离小于通信极限距离时aij＝1,i,j∈ε；如果两架无人机之间距离大于通信极限距离，则aij＝0，

19、

20、至此，完成了对多无人机的动力学建模和通信网络建模。

21、步骤3具体按照以下步骤实施：

22、提出一种间接耦合框架协调控制器，该控制器有两个要求：1)为每架无人机设计具有速度误差阻尼的虚拟代理；2)代理根据对应的无人机之间的通信关系进行互连，第i个无人机的虚拟代理动力学设计为：

23、

24、其中，为第i架无人机的虚拟代理，是无人机和它的虚拟代理的位置误差，αi,βi为正实数，sati(x)是一个上届饱和的函数；

25、根据连通性保持和编队的要求，势函数应满足以下条件：1)当无人机之间的距离趋于最大通信距离时，势函数将会提供一个减小无人机之间距离的力；2)当无人机之间的距离趋于零时，势函数将会提供一个增大无人机之间距离的力；3)当无人机之间的距离为编队的期望距离时，势函数将不会提供力；

26、根据以上条件，本发明设计有界人工势函数为：

27、

28、其中，编队势函数和连通性保持势函数分别定义为：

29、

30、

31、ε是一个大于零的微小量；

32、设计无人机的姿态跟踪控制器，分为两步：首先计算无人机的期望姿态，然后设计控制器使得无人机的姿态跟踪上期望姿态；

33、根据无人机的位置信息计算出无人机的期望姿态为：

34、

35、期望的俯仰角针对姿态模型(4)，设计无人机姿态的有限时间控制器为：

36、

37、其中0<γ1<1，γ2＝2γ1/(1+γ1)，k1>0，k2>0，sig()为符号函数。

38、本发明的有益效果是，考虑输入饱和的多无人机连通性保持控制方法，采用一种间接耦合策略，具有界人工势函数，克服了执行器饱和的输入约束。稳定性分析和编队仿真表明，所有无人机都可以收敛到它们期望的编队位置。本发明通过建立无人机编队过程的动力学模型和无人机通信拓扑的图论模型，利用图论和代数图论的方法对无人机之间的通信拓扑网络进行描述。

技术特征：

1.考虑输入饱和的多无人机连通性保持控制方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

2.根据权利要求1所述的考虑输入饱和的多无人机连通性保持控制方法，其特征在于，所述步骤1具体按照以下步骤实施：

3.根据权利要求2所述的考虑输入饱和的多无人机连通性保持控制方法，其特征在于，所述步骤2具体按照以下步骤实施：

4.根据权利要求2所述的考虑输入饱和的多无人机连通性保持控制方法，其特征在于，所述步骤3具体按照以下步骤实施：

5.根据权利要求4所述的考虑输入饱和的多无人机连通性保持控制方法，其特征在于，所述步骤3中，根据连通性保持和编队的要求，势函数应满足以下条件：1)当无人机之间的距离趋于最大通信距离时，势函数将会提供一个减小无人机之间距离的力；2)当无人机之间的距离趋于零时，势函数将会提供一个增大无人机之间距离的力；3)当无人机之间的距离为编队的期望距离时，势函数将不会提供力；

技术总结本发明公开了提供考虑输入饱和的多无人机连通性保持控制方法，首先建立无人机编队模型，分析编队过程中的通讯；然后对通讯拓扑进行图论建模，并通过代数图论进行描述，提出合理假设；最后设计兼顾连通性保持和执行器输入饱和的分布式位置控制方法，根据位置控制器得到期望姿态，并设计基于有限时间的姿态跟踪控制算法对期望姿态进行跟踪。本发明利用势场函数调节无人机之间的距离，利用饱和函数限制虚拟控制器的输出，并计算期望的姿态轨迹，利用姿态控制器跟踪期望姿态。技术研发人员：薛向宏,袁斌,任雨萌,弋英民受保护的技术使用者：西安理工大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29