[发明专利]一种基于视觉与性能约束的多无人机协同控制方法及系统

权利要求书

1.一种基于视觉与性能约束的多无人机协同控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：对总目标任务分解得到相互独立的子任务，根据子任务确认无人机的类别与数量，建立子任务的无人系统；

步骤S2：在当前子任务的无人系统中选择一个最优领航者，跟随者检测领航者带有的ArUco基准标记，由此获取它相对于领航者的相对位姿；

步骤S3：基于领航者-跟随者框架建立子任务的无人系统模型；

步骤S4：设计基于预定任务性能规范的误差变换方法；

步骤S5：根据变换后的误差设计跟随者的PID控制律，保证跟随者按预定任务性能跟随领航者，最后达到多无人机自主协同控制的目标；

所述S4具体包括如下步骤：

步骤S401：定义误差，具体为：

根据任务设计具有预先确定性能指标的误差变换方法，通过ArUco标记估计领航者与跟随者之间的相对位姿，则定义误差为

其中，表示期望的领航者相对于跟随者的位姿；若是根据视觉运动学，用图像信息间接的表示领航者与跟随者之间的相对位姿r_lf，则e表示为当前获取图像特征与期望图像特征的误差；

步骤S402：定义误差性能，具体为：

定义误差性能函数使得输出误差e_k沿绝对衰减的时间函数ρ_k收敛到预定义的残集：

其中，e_k表示为误差向量e的第k个输出误差量，设定参数Υ_k和为ρ_k(0)分别表示初始最大允许误差，从而保证初始误差绝对值满足0＜||e_k(0)||＜ρ_k(0)，设计绝对衰减的时间函数ρ_k(t)为

ρ_k(t)＝(ρ_k(0)-ρ_∞)e^-lt+ρ_∞

其中，参数l＞0控制指数收敛的速度，表示预定任务性能规范的稳态水平，其可以设计的足够小来保证任务性能规范；

步骤S403：设置输出误差函数，具体为：

为了实现满足任务性能规范的控制，输出误差设置为：

e_k＝S(ε_k)ρ_k(t)

其中，S(ε_k)是一个单调递增的连续光滑函数，并且满足如下要求：

根据以上要求，设计变换函数为：

步骤S404：获取具有预定性能规范的误差变换函数：定义χ_k＝e_k/ρ_k，由于S(ε_k)是严格递增的，因此它的反函数总是存在的，所以具有预定性能规范的误差变换ε_k描述为：

2.根据权利要求1所述的一种基于视觉与性能约束的多无人机协同控制方法，其特征在于，步骤S1具体包括如下步骤：

步骤S101：对总目标任务分解，得到相互独立的各个子任务；

步骤S102：根据子任务的要求选择空中无人机、地上无人机或者空中无人机与地上无人机组合的形式，并确定无人机的数量，建立子任务的无人系统。

3.根据权利要求1所述的一种基于视觉与性能约束的多无人机协同控制方法及系统，其特征在于，步骤S2具体包括如下步骤：

步骤S201：在当前子任务的无人系统中，控制站选择一个最优的无人机作为当前子任务的无人系统中接收控制站发布任务的领航者；

步骤S202：每个无人机都配有一个已知大小的ArUco方形基准标记，跟随者使用机载视觉检测ArUco标记，ArUco标记由黑色边框和确定其标识符的内部二进制矩阵组成，单个标记可提供足够的对应关系来获得相机相对ArUco标记的位姿，根据相机坐标系和跟随者坐标系、ArUco标记坐标系和领航者坐标系的固定变换关系，求得领航者与跟随者之间的相对位姿ζ_lf，并且ArUco标记为每个无人机都提供了对应的ID。