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申请/专利权人：重庆大学

摘要：本发明公开了一种状态约束下多无人机协同载物的自适应容错控制方法，包括建立带负载四旋翼无人机动力学模型，设计多无人机协同载物系统期望编队模型，设置多无人机协同载物系统的一致性态同步误差和设计不确定干扰、执行器故障、状态约束下多无人机协同载物平移子系统和旋转子系统的自适应容错控制器四个步骤，在设计自适应容错控制器时引入了一个虚拟参数和一个包含可用信息的可计算标量函数，并给出了该虚拟参数估计的自适应更新律。最后，借助MATLAB软件对三架四旋翼无人机载物飞行系统进行仿真设计，给出了仿真实验结果及其分析讨论，证明了所设计控制器的有效性。

主权项：1.一种状态约束下多无人机协同载物的自适应容错控制方法，其特征在于：包括如下步骤：S1：建立带负载四旋翼无人机动力学模型，过程如下：a定义地面坐标系OE系、机体坐标系OB系，以及定义OE系和OBi系的位置转换矩阵姿态转换矩阵Rqi，分别表示为： 其中，在OE系中来定义四旋翼无人机的位置pi＝[xi,yi,zi]T、速度vi＝[vxi,vyi,vzi]T、姿态角和姿态角速度在OBi系中定义四旋翼无人机绕XBi、YBi、ZBi轴旋转角速度wi＝[wxi,wyi,wzi]T；其中，xi,yi,zi分别表示第i个四旋翼无人机在OE系中x轴，y轴和z轴的坐标，vxi,vyi,vzi分别表示第i个四旋翼无人机在OE系中x轴，y轴和z轴的速度分量，φi,θi,ψi分别表示第i个四旋翼无人机绕XBi、YBi、ZBi轴旋转的角度滚转角、俯仰角、偏航角，wxi,wyi,wzi分别表示第i个四旋翼无人机在OBi系中绕XBi、YBi、ZBi轴旋转角速度；其中，S□＝sin□表示对角度□进行正弦计算，C□＝cos□表示对角度□进行余弦计算，□代表φi,θi或ψi；b建立带负载四旋翼无人机平移动力学模型，表示为： 其中，表示质量矩阵，对应的带负载四旋翼无人机平移子系统控制增益矩阵是已知的可逆矩阵；其中，表示第i架无人机在OE系下的控制升力，FBi是第i架无人机在OB系下的控制升力，表示将第i架无人机位置由OBi系转换到OE系下表示的转换矩阵，fij分别是第i架无人机的第j个螺旋桨的转速、所产生升力，cf是螺旋桨升力系数；Gi＝[0,0,-mig]T表示第i架无人机重力，mi是第i架无人机质量，g是重力加速度；表示负载对第i架无人机平移运动施加的外部拉力；c建立带负载四旋翼无人机旋转动力学模型，表示为： 其中，表示转动惯量矩阵，对应的带负载四旋翼无人机旋转子系统控制增益矩阵也是已知的可逆矩阵；Mui表示第i架无人机的控制力矩，表示非线性项，表示负载对第i架无人机旋转运动施加的外部拉力力矩，ρBi·表示第i架无人机旋转子系统执行器的效率函数，，δBi·表示第i架无人机旋转子系统由执行器动作所产生的不可控输出部分，dBi·表示第i架四旋翼无人机旋转子系统所受的外界干扰；2设计多无人机协同载物系统期望编队模型，表示为： 其中，表示人为给定的负载期望运动轨迹，pBhi＝[0,0,-h]T表示负载悬挂点在OBi系下的实际位置，h0，是负载悬挂点在OE系下的实际位置；γi表示每架跟随无人机负载分配角，i＝{2,3,...,n}，γi取值范围是0到90°ri＝Lcosγi表示无人机上绳索在XEOEYE平面上的投影线段长度；γ＝2π表示第i架和第i+1架无人机上缆绳在XEOEYE平面上投影线的夹角；rli表示在OE系下第i架无人机悬挂点指向负载的缆绳向量；S3：设置状态约束下多无人机协同载物系统的一致性态同步误差，详细过程如下：首先定义第i架无人机位置和速度跟踪误差为以及姿态和角速度跟踪误差为t表示单个平移运动通道，t＝x,y,z，r表示单个旋转运动通道，r＝φ,θ,ψ；接着引入如下非线性变换得到状态约束下无人机状态跟踪误差，对应表示为 其中，ξpti，ξvti，ηqri和ηwri分别表示经过非线性变换得到状态约束下无人机位置、速度、姿态角、姿态角速度跟踪误差；Fpti、Fvti、Fqti、Fwti分别是待设计的位置、速度、姿态、角速度的误差约束边界值，规定为大于零的常数；公式6-9的约束条件下无人机状态跟踪误差ξpti在开区间上是连续可微且有定义的，当epti趋近于区间的边界时，ξpti则趋近于正负无穷；同理可以将经过非线性变换后的无人机状态跟踪误差ξvti、ηqri、ηwri约束条件分别写为开区间并对公式6-9两边分别求一阶导，得到： 其中，系数在开区间内有定义，且是已知可计算的正常值，同样有系数再引入中间过渡误差变量和是待设计的正常值参数；而后定义第i架无人机与其多个邻居无人机的平移和旋转运动子系统的一致性状态同步误差分别为： 其中，aij0表示第i架无人机能获得第j架无人机的信息，否则aij＝0；接着引入中间过渡误差变量则存在关系式最后得到n架无人机平移子系统t通道和旋转子系统r通道的一致性状态同步误差动力学模型，分别表示为： 其中，μpt＝diag{μpt1,…,μptn}∈Rn×n、μvt＝diag{μvt1,…,μvtn}∈Rn×n、μqr＝diag{μqr1,…,μqrn}∈Rn×n、μwr＝diag{μwr1,…,μwrn}∈Rn×n分别表示关于公式10系数μpti、关于公式11系数μvti、关于公式12系数μqri、关于公式13系数μwri的n行1列的向量；其中，Vt、Vt*分别是无人机的实际速度和期望速度；Wt、Wt*分别是无人机的实际角速度和期望角速度；其中，ρt和ρr分别是无人机平移和旋转子系统的执行器输出效率函数；其中，Lt和Lr分别表示无人机平移和旋转子系统的集总不确定项；其中，和分别表示无人机平移子系统质量矩阵、无人机旋转子系统转动惯量矩阵；其中，和分别表示无人机平移和旋转子系统的待设计的正常值参数矩阵；其中，Ft和Mr分别表示在地面坐标系下无人机平移子系统的控制输入、在机体坐标系下无人机旋转子系统的控制输入；其中，Gt和Ωr分别表示无人机重力、无人机角速度相关的非线性项；S4：设计状态约束、不确定干扰和执行器故障下多无人机协同载物平移子系统和旋转子系统的自适应容错控制器，详细过程如下：第一步，考虑公式16定义的多无人机协同载物平移子系统，设计对应自适应容错平移控制器，并实现多架无人机一致性位置同步误差eti、每架无人机位置跟踪误差epti趋近于零或收敛于一个原点附近的紧集内，具体如下：选择李雅普诺夫函数，表示为： 其中，Rn是一个与拉普拉斯矩阵∏相关的n×n维矩阵，σt是关于待设计正常值参数，是σt的逆矩阵，表示虚拟参数cti的估计误差，St表示无人机平移运动子系统相关的中间过渡误差向量；设计状态约束下平移子系统控制器，表示为： 其中，kti0∈R1×1是待设计的正常值参数，μvti0∈R1×1是已知可计算的正常值参数，ζti·是所设计的非负已知可计算的标量核心函数，t0是一个趋近于零的正常数；是虚拟参数的估计变量，sti表示第i架无人机平移运动子系统相关的中间过渡误差；采用自适应更新律如下： 其中，σti0∈R1×1、εti0∈R1×1是待设计的正常值参数；第二步，考虑公式17定义的多无人机协同载物旋转子系统，设计对应自适应容错旋转控制器，并实现多架无人机一致性姿态同步误差eri和每架无人机姿态跟踪误差eqri趋近于零或收敛于一个原点附近的紧集内，具体如下：选择李雅普诺夫函数，表示为： 其中，σr是关于待设计正常值参数σri的正定对角矩阵，是σr的逆矩阵；表示虚拟参数cri的估计误差；Sr表示无人机旋转运动子系统相关的中间过渡误差向量，Jri表示第i架无人机r通道的转动惯量；设计状态约束下旋转子系统控制器，表示为： 其中，kri0∈R1×1是待设计的常值参数；ζri·是所设计的非负已知可计算的标量核心函数；是虚拟参数cri的估计变量，sri表示第i架无人机旋转运动子系统相关的中间过渡误差；采用自适应更新律如下： 其中，σri0∈R1×1、εri0∈R1×1是待设计的常值参数。

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百度查询： 重庆大学 一种状态约束下多无人机协同载物的自适应容错控制方法