一种基于干扰观测器的四旋翼无人机集群抗干扰编队控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于干扰观测器的四旋翼无人机集群抗干扰编队控制方法，适用于无人机集群在外界风扰时变的任务执行场景，属于无人机集群抗干扰控制领域。
背景技术
近年来随着无人机技术的不断发展，其任务复杂度越来越大，多无人机集群任务的需求也越来越大，要求无人机集群能够实现快速编队控制。此外，随着无人机集群任务场景日益复杂，集群通讯条件变得更加苛刻，需要具备一定抗干扰能力的通信设备；无人机集群的任务执行场景复杂，为了避免集群中无人机的碰撞，以及快速形成特定的编队队形，对于集群编队的控制精度要求较高；此外，对于无人机来说，外界扰动主要由风力产生，风力作用于四旋翼的旋转轴，产生旋转力矩，风力较弱时，四旋翼的轨迹跟踪精度受到影响，风力较大时，四旋翼发生倾覆，最终导致集群的损毁，因此，需要进一步考虑四旋翼无人机的抗干扰控制问题。
专利申请号为201911029214.0中提出了一种无人机集群编队控制方法、装置及储存介质，解决了现有无人机集群编队控制方法难以控制无人机集群按照一般封闭式曲线路径飞行的问题，但存在两个问题：(1)该专利并没有分析外界扰动对集群的影响；(2)未提出相应的集群抗扰动算法，实际使用会受到一定限制。专利申请号为201811244037.3中提出了一种基于二阶一致性和自抗扰的多四旋翼主从式协同编队控制方法，其中提出的方法存在如下问题：(1)缺少对外界扰动的分析，无法主动应对外界扰动；(2)方法中涉及的单体无人机抗扰动方法属于被动抗扰，没有无人机集群抗扰动策略，因此在精度和快速性上会逊色于本发明所提出的方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于干扰观测器的四旋翼无人机集群抗干扰编队控制方法，针对四旋翼无人机集群在任务执行过程中可能面临的外界力矩扰动从而影响无人机集群控制精度，能够显著提升单体无人机的轨迹控制精度，另外减小无人机集群受到的外界风扰，降低单体无人机的扰动补偿，达到节省能量的目的。
本发明的技术方案为：一种基于干扰观测器的四旋翼无人机集群抗干扰编队控制方法，包括以下步骤：
步骤一，构建含外力扰动的单体四旋翼耦合动力学模型；
步骤二，建立针对无人机所受外界风产生的力矩扰动的干扰观测器；然后，根据干扰观测器估计的扰动值；
步骤三，根据干扰观测器估计的无人机领机x轴与y轴的扰动值，估计出风扰的方向，设计四旋翼抗干扰控制律；
步骤四，根据领机估计的风扰方向，在遇到外界扰动时，四旋翼集群的队形保持I字型，设计四旋翼集群抗干扰编队控制律，实现无人机集群编队的抗干扰控制；
进一步的，所述步骤一具体如下：
针对四旋翼飞行过程中受到的风扰力矩扰动，同时建立四旋翼的解耦动力学模型，假设风力在水平面内对四旋翼的产生力矩扰动，从而使四旋翼的姿态角产生变化，表示如下：
式中，m表示四旋翼质量，J为四旋翼三个轴的转动惯量矩阵；V为四旋翼线性速度，
建立机体坐标系与大地坐标系，欧拉角变化率与机体角速度的转换矩阵W表示如下：
式中t，c，s，φ,θ,ψ分别表示正切函数，余弦函数，正弦函数，横滚角，俯仰角，偏航角；从地球固联坐标系到机体坐标系的旋转矩阵表示如下：
进一步的，所述步骤二建立针对无人机所受外界风产生的力矩扰动的干扰观测器，具体如下：
式中，ξ、ζ及p(ξ)分别表示系统状态、非线性干扰观测器的内部状态与所需要的设计的非线性函数，
扰动观测器的增益l(ξ)由下式确定：
非线性干扰观测器NDOB系统能够渐进稳定，选取合理的l(ξ)，观测器的收敛速度以及超调量能得到相应的匹配需求；
其中d表示实际扰动，
进一步的，所述步骤三设计四旋翼抗干扰控制律，具体如下：
结合四旋翼的动力学特点与耦合运动学模型，设计级联控制律，其中内环控制器控制四旋翼姿态：俯仰，横滚，偏航，高度，外环控制器控制四旋翼的位置：x轴，y轴；螺旋桨生成的力矩直接作用于四旋翼的姿态，由于四旋翼位移与姿态的二阶导数关系，相比于姿态环控制器，位置环的响应时间更长；具体过程如下：
步骤3.1.位置环控制器：
其中xd、yd、zd和
φd、θd、ψ与g分别表示四旋翼的横滚角期望、俯仰角期望、偏航角与重力常量。
步骤3.2.姿态环控制器：
姿态环控制器接收参考的姿态角即俯仰角、横滚角控制输入，由四旋翼的运动学与动力学模型，偏航控制与俯仰、横滚控制存在耦合，而不考虑四旋翼的偏航控制，只通过俯仰与横滚的变化仍然能够实现飞行器的位置控制：
其中kpφ,kpθ,kpψ与kdφ,kdθ,kdψ分别表示横滚角、俯仰角、偏航角的比例与微分增益，通过反馈线性化方法，
忽略空气阻力，简化的线性反馈控制律设计如下：
Ω＝-w1+w2-w3+w4
其中，L是四旋翼的臂长，wi(i＝1,2,3,4)表示螺旋桨的转速，T，τφ,τθτψ表示机体各坐标轴的控制力矩，
T＝F1+F2+F3+F4
τθ＝L(F2-F4)
τφ＝L(F3-F1)
τψ＝Kyaw(F1+F3-F2-F4)
其中，F1，F2，F3，F4，Kyaw分别表示四旋翼四个螺旋桨的产生的升力与偏航系数，得到四个螺旋桨各自的升力控制信号；螺旋桨存在转速约束，故总升力存在一定约束，控制信号需要在此约束内。
进一步的，所述步骤四设计四旋翼集群抗干扰编队控制律，具体如下：
4.1.编队控制器设计：
对于任意的四旋翼无人机i定义集群编队队形如下：
其中j是第i个无人机的邻居，相互能够进行相对位置通信，Δij是期望队形，对于集群中的每一个四旋翼i，设计编队控制项uif，其中ui表示位置环控制输入ux,uy以及uz，引入编队位置控制器：
其中kpf＞0是编队控制增益，ni是第i个无人机的邻居数量，Ni是第i个无人机的邻居集合，三轴解耦编队位置控制律设计如下：
u′x＝ux+uxf
u′y＝uy+uyf
u′z＝uz+uzf
u′x、u′y、u′z表示编队状态下无人机位置环控制输出。
4.2.扰动因子与抗干扰队形的设计：
根据空气动力学模型，设计扰动因子，对风扰的方向进行估计，外部风扰对四旋翼的扰动力矩直接作用于四旋翼机体的x轴与y轴，设δx,δy表示扰动力矩的幅值，扰动因子定义如下：
其中γ∈[-π,π]，表示外界风力扰动的方向与x轴的角度，包含了风向的信息；结合风力在空气中的衰减特性，以及层流模型，风在作用于集群领机后认为其方向不变，且衰减值与领机的距离成正比；定义集群抗干扰状态下的初始队形：
Δi＝[xdl ydl]T-[xdi ydi]T＝[0 i·ρ]T
ρ≥ρ0
其中xdl,ydl表示领机的期望位置，xdi,ydi表示第ith个从机的位置，ρ表示相邻无人机间的安全距离，ρ0无人机间的最小安全距离；进一步，得到时变抗干扰编队队形：
Δi,anti＝Rγ·Δi
其中Δi,anti＝Rγ·Δi表示抗扰队形，Rγ改变抗扰队形的方向，且不减小相邻无人机间的距离，从而保证无人机编队的安全性。
有益效果：
本发明提出了四旋翼无人机编队抗干扰控制方法，在自然风扰环境下，无人机编队形成I字型队形，I字型队形在不增加领机能量损耗的情况下，提升了编队整体的主动抗扰能力，降低了编队整体能量损耗。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提出一种基于干扰观测器的四旋翼无人机集群抗干扰编队控制方法，包括以下步骤：
步骤一，构建含外力扰动的单体四旋翼耦合动力学模型；
步骤二，建立针对无人机所受外界风产生的力矩扰动的干扰观测器；然后，根据干扰观测器估计的扰动值；
步骤三，根据干扰观测器估计的无人机领机x轴与y轴的扰动值，估计出风扰的方向，设计四旋翼抗干扰控制律；
步骤四，根据领机估计的风扰方向，在遇到外界扰动时，四旋翼集群的队形保持I字型，设计四旋翼集群抗干扰编队控制律，实现无人机集群编队的抗干扰控制；
进一步的，所述步骤一具体如下：
针对四旋翼飞行过程中受到的风扰力矩扰动，同时建立四旋翼的解耦动力学模型，假设风力在水平面内对四旋翼的产生力矩扰动，从而使四旋翼的姿态角产生变化，表示如下：
式中，m表示四旋翼质量，J为四旋翼三个轴的转动惯量矩阵；V为四旋翼线性速度，
建立机体坐标系与大地坐标系，欧拉角变化率与机体角速度的转换矩阵W表示如下：
式中t，c，s，φ,θ,ψ分别表示tan，cos，sin，横滚角，俯仰角，偏航角；从地球固联坐标系到机体坐标系的旋转矩阵表示如下：
进一步的，所述步骤二建立针对无人机所受外界风产生的力矩扰动的干扰观测器，具体如下：
式中，ξ、ζ及p(ξ)分别表示系统状态、非线性干扰观测器的内部状态与所需要的设计的非线性函数，
扰动观测器的增益l(ξ)由下式确定：
非线性干扰观测器NDOB系统能够渐进稳定，选取合理的l(ξ)，观测器的收敛速度以及超调量能得到相应的匹配需求；
其中
进一步的，所述步骤三设计四旋翼抗干扰控制律，具体如下：
结合四旋翼的动力学特点与耦合运动学模型，设计级联控制律，其中内环控制器控制四旋翼姿态：俯仰，横滚，偏航，高度，外环控制器控制四旋翼的位置：x轴，y轴；螺旋桨生成的力矩直接作用于四旋翼的姿态，由于四旋翼位移与姿态的二阶导数关系，相比于姿态环控制器，位置环的响应时间更长；具体过程如下：
步骤3.1.位置环控制器：
其中xd、yd、zd和
φd、θd、ψ与g分别表示四旋翼的横滚角期望、俯仰角期望、偏航角与重力常量。
步骤3.2.姿态环控制器：
姿态环控制器接收参考的姿态角即俯仰角、横滚角控制输入，由四旋翼的运动学与动力学模型，偏航控制与俯仰、横滚控制存在耦合，而不考虑四旋翼的偏航控制，只通过俯仰与横滚的变化仍然能够实现飞行器的位置控制：
其中kpφ,kpθ,kpψ与kdφ,kdθ,kdψ分别表示横滚角、俯仰角、偏航角的比例与微分增益，通过反馈线性化方法，
忽略空气阻力，简化的线性反馈控制律设计如下：
Ω＝-w1+w2-w3+w4
其中，L是四旋翼的臂长，wi(i＝1,2,3,4)表示螺旋桨的转速，T，τφ,τθτψ表示机体各坐标轴的控制力矩，
T＝F1+F2+F3+F4
τθ＝L(F2-F4)
τφ＝L(F3-F1)
τψ＝Kyaw(F1+F3-F2-F4)
其中，F1，F2，F3，F4，Kyaw分别表示四旋翼四个螺旋桨的产生的升力与偏航系数，得到四个螺旋桨各自的升力控制信号；螺旋桨存在转速约束，故总升力存在一定约束，控制信号需要在此约束内。
进一步的，所述步骤四设计四旋翼集群抗干扰编队控制律，具体如下：
4.1.编队控制器设计：
对于任意的四旋翼无人机i定义集群编队队形如下：
其中j是第i个无人机的邻居，相互能够进行相对位置通信，Δij是期望队形，对于集群中的每一个四旋翼i，设计编队控制项uif，其中ui表示位置环控制输入ux,uy以及uz，引入编队位置控制器：
其中kpf＞0是编队控制增益，三轴解耦编队位置控制律设计如下：
u′x＝ux+uxf
u′y＝uy+uyf
u′z＝uz+uzf
u′x、u′y、u′z表示编队状态下，无人机位置环控制输出。
4.2.扰动因子与抗干扰队形的设计：
根据空气动力学模型，设计扰动因子，对风扰的方向进行估计，外部风扰对四旋翼的扰动力矩直接作用于四旋翼机体的x轴与y轴，设δx,δy表示扰动力矩的幅值，扰动因子定义如下：
其中γ∈[-π,π]，表示外界风力扰动的方向与x轴的角度，包含了风向的信息；结合风力在空气中的衰减特性，以及层流模型，风在作用于集群领机后认为其方向不变，且衰减值与领机的距离成正比；定义集群抗干扰状态下的初始队形：
Δi＝[xdl ydl]T-[xdi ydi]T＝[0 i·ρ]T
ρ≥ρ0
其中xdl,ydl表示领机的期望位置，xdi,ydi表示第ith个从机的位置，ρ表示相邻无人机间的安全距离，ρ0无人机间的最小安全距离；进一步，得到时变抗干扰编队队形：
Δi,anti＝Rγ·Δi
其中Δi,anti＝Rγ·Δi表示抗扰队形，Rγ改变抗扰队形的方向，且不减小相邻无人机间的距离，从而保证无人机编队的安全性。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
