文档介绍：四旋翼无人机一致性编队飞行控制方法
摘要: 四旋翼无人机在民用及军用领域都发挥着越来越重要的作用。为了完成某些特定任务, 需要由多架四旋翼组成的编队保持适当队形飞行。与单架四旋翼执行任务相比, 四旋翼编队具有能增加任务成功率、提高整体抗干扰性能、扩大监控范围等优点。本文基于主从式编队结构, 结合信息拓扑理论, 把四旋翼编队描述为二阶一致性系统, 设计编队控制器来实现四旋翼编队的稳定飞行。主机和从机均采用PID控制, 主机跟踪预设轨迹, 从机跟踪编队控制器计算出的轨迹跟踪指令。最后通过仿真分析了控制算法对四旋翼编队队形生成及队形保持的控制效果。
?P键词: 四旋翼无人机; 编队飞行; 信息拓扑理论; 一致性理论; 主从式编队
中图分类号: 文献标识码: A 文章编号: 1673-5048(2017)06-0025-07[SQ0]
0 引言
四旋翼无人机(以下简称四旋翼)是一种有四个螺旋桨且螺旋桨分别呈十字交叉型的飞行器。在过去的数十年中, 传感器及电子元器件的微型化、低廉化推动了四旋翼的快速发展。四旋翼在军事领域可用于巡逻侦察、定点攻击等方面, 在民用领域可用于遥感测绘、农业植保、通信中继、航拍航测、短途运输等方面, 具有广泛的应用前景和实际用途, 成为商业公司和科研单位的研究热点[1]。随着无线传感网络等技术的创新应用, 由多架无人机组成的编队在民用及军事等方面都展现出越来越广泛的用途, 如能进行空中集群表演、组建军事通信网络、构建网络化军事打击编队等。
无人机编队飞行, 是指在三维空间中, 多架无人机按照一定的队形进行排列, 使其在飞行过程中保持队形不变或者相对位置在一定范围内变动, 并能根据外部情况和任务需求进行动态调整, 以保持编队的协同一致性。
无人机编队飞行控制方式主要有主从法[2]、虚拟结构法[3-4]、行为控制法[5-6]等。主从法结构中, 其中一个飞行器被指定为主机, 其余飞行器则被指定为从机。从机以一定的偏移量跟踪主机的方向及位置。虚拟结构法把整个编队视为单一的虚拟结构, 每架无人机是虚拟结构中相对位置固定的一点。当编队移动时, 每架无人机跟踪队形中固定点的运动即可。行为控制法是将主要控制目标分解为一些预期行为, 并基于控制输入的加权平均为每一个行为设计单独的控制输入, 能处理诸如队形保持、碰撞规避、中心聚拢等行为。
多智能体集群行为可定义为:集群系统中的多智能体通过局部信息相互作用, 并遵循三条原则:(1) 避免群体成员之间的碰撞;(2) 智能体与其邻居的速度尽量匹配;(3) 各智能体尽量向邻居智能体靠近, 并保持一定的群聚性。多无人机编队飞行也属于多智能系统的研究范畴, 基于该理论研究无人机编队飞行系统是近年来的研究热点, 特别是对信息拓扑理论思想的运用, 将编队系统看成是通信与感知信息流构成的通信拓扑, 利用一致性问题的研究方法进行研究, 得到了许多学者的青睐。控制器的设计与系统性能分析可利用编队飞行器间的信息交互数学模型, 按照代数图论的方法进行研究。如薛瑞彬等[7]考虑编队系统存在通讯时延的情况下, 利用一致性理论设计了分布式编队控制算法, 并对系统稳定性予以理论和仿真证明。周稼康等[8]针对主从结构的编队飞行系统, 基于一致性算法分析了通信拓扑结构为有向图时系统控制器参数的选取。文献[9-10]研究了基于一致性理论的无人机时变编队的控制算法, 并在四旋翼硬件平台上进行了验证。文献[11]将存在多个时延的线性时变拓扑结构转化为一致性问题进行研究分析, 并将结果用于编队飞行系统的研究中。
为改进传统主从飞行编队信息交流单一的不足, 本文将信息拓扑理论应用于无人机主从编队, 增加从机与从机之间的信息交互, 从而使编队在飞行过程中队形保持更加稳定, 且队形变换更加多样。
1 四旋翼模型建立
在大地坐标系E及载体坐标系B下建立四旋翼模型。四旋翼模型坐标表示如图1所示。四旋翼质量为m, 对应的转动惯量矩阵I。位置及姿态角分别记为r=[xyz]T和η=[θψ]T。在载体坐标系B下定义角速度ω=[pqr]T。
为了简化控制方案设计, 根据以下假设, 对四旋翼模型进行合理简化[12]。首先, 四旋翼为对称刚体, 其质心与载体坐标系原点重合, 转动惯量矩阵简化为I=diag[IxxIyyIzz]。其次, 四旋翼工作在悬浮状态, 其横滚角及俯仰角θ均较小[13](c≈1, cθ≈1, s≈, sθ≈θ), 因此, 载体角速度ω可认为与姿态角变化率相等, 并且忽略陀螺力矩。
根据牛顿欧拉法, 四旋翼平移动力学及旋转动力学方程如下:
式中: g为重力加速度; ez=[001]T为大地坐标系下的单位向量; TB为载体坐标系下四个旋翼产生的总推力; RE