[发明专利]一种基于跟踪微分器的多四旋翼无人机安全编队控制方法

说明书

本发明涉及一种基于跟踪微分器的多四旋翼无人机安全编队控制方法，首先，构造不依赖于编队误差初始值的非对称边界预设性能控制器，以获得光滑快速的编队暂态性能；其次，通过双曲正切跟踪微分器在获取快速精准的微分控制信号的同时，避免了传统反推控制器设计方法的“微分爆炸”问题；最后，采用自适应神经网络干扰估计器，实现对集总扰动精准高效的实时估计与补偿；设计方法克服了现有多四旋翼无人机安全编队控制中的参数不确定性、外部干扰、以及暂态性能恶化问题，可以在无人机遭受参数不确定性和外部环境干扰情况下形成持续稳固的编队构型，大大增强多四旋翼执行协同编队任务的鲁棒性、高效性和安全性。

技术领域

本发明涉及一种基于跟踪微分器的多四旋翼无人机安全编队控制方法，属于无人机协同编队飞行技术领域。

背景技术

多四旋翼协同编队指多四旋翼通过保持预定的空间几何拓扑形态，借助全局或局部信息交互与共享，形成多四旋翼系统的协同超越能力，为执行单体所无法胜任的复杂性任务提供有效的解决方案。多四旋翼可采用合理的编队飞行替代士兵高效地执行诸如目标侦查、敌情搜集等危险的军事任务，也可用于复杂山区地形环境人员搜救、矿产勘测等民用场合，能极大地弥补单体获取环境信息不完整、执行任务效率低以及负载能力有限的弊端，具有重要的军/民两用研究价值与迫切的现实意义。

在现有技术的多四旋翼无人机协同编队过程中，存在三个关键问题：(1)四旋翼无人机编队系统中存在参数不确定性和未知环境干扰，对无人机系统安全编队飞行造成一定困扰，严重时甚至会导致编队系统失效；(2)四旋翼无人机编队控制问题中，避免无人机之间相互碰撞是无人机安全编队飞行的基本要求，现有预设性能控制方法可避免无人机之间相互碰撞的有效方法，然而，现有预设性能控制方法在控制器设计过程中需各四旋翼无人机的初始为位置信息精确已知，同时在编队控制过程中，不可避免地引起编队同步误差超调，给控制器设计带来一定的局限性；(3)在四旋翼协同编队反步控制律设计过程中，需要对虚拟控制量进行反复求导，不可避免地增加了控制器设计和参数计算的复杂度，不利于高速动态协同编队对数据处理的时效性需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于跟踪微分器的多四旋翼无人机安全编队控制方法，采用全新设计，能够克服参数不确定性、外部干扰、以及暂态性能恶化等问题，解决了多四旋翼无人机高效率编队抗干扰控制问题。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种基于跟踪微分器的多四旋翼无人机安全编队控制方法，按时序实时执行如下步骤：

步骤A.针对预设数量四旋翼无人机，以各架四旋翼无人机之间相互通信，且至少一架四旋翼无人机获取虚拟领航者信息为目标，构建全部四旋翼无人机所对应的编队样式、以及通讯拓扑结构，并获得各架四旋翼无人机分别所对应的约束模型，进而获得各架四旋翼无人机分别所对应受约束的协同编队同步误差，然后进入步骤B；

步骤B.根据各架四旋翼无人机分别所对应受约束的协同编队同步误差，应用误差变换方法，获得各架四旋翼无人机分别所对应不受约束的协同编队同步误差，然后进入步骤C；

步骤C.根据各架四旋翼无人机分别所对应不受约束的协同编队同步误差，获得各架四旋翼无人机的速度动态虚拟控制律、姿态角动态虚拟控制律、角速度动态虚拟控制律，并应用双曲正切跟踪微分器，获得各架四旋翼无人机的速度微分控制信号、姿态角微分控制信号、角速度微分控制信号，然后进入步骤D；

步骤D.建立各架四旋翼无人机分别所对应的自适应神经网络干扰估计器，用于对四旋翼无人机系统中的不确定性和环境干扰进行实时估计，并结合各架四旋翼无人机的速度微分控制信号、姿态角微分控制信号、角速度微分控制信号，构建各架四旋翼无人机分别所对应的速度环控制器和姿态环控制器。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤A中，基于所构建全部四旋翼无人机对应的编队样式、以及通讯拓扑结构，获得各架四旋翼无人机分别所对应的约束模型如下：