四旋翼飛行器趨同控制方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及航天技術領域，更具體的說，是涉及四旋翼飛行器趨同控制方法、裝置 及系統與四旋翼飛行器。
【背景技術】
[0002] 近年來，四旋翼飛行器收到越來越多的關注和研究，由于它結構簡單、輕巧靈便且 無人駕駛，被廣泛應用于軍事和民用領域，譬如對復雜戰場的搜救、偵查，森林火災的監測、 營救。
[0003] 四旋翼飛行器的四個螺旋槳，即螺旋槳1、螺旋槳2、螺旋槳3以及螺旋槳4,分布 在機體101的前后、左右四個方向，四個螺旋槳處于同一高度平面，每一螺旋槳對應一發動 機，發動機對稱的安裝在四旋翼飛行器的支架5端，如圖1所示。四旋翼飛行器通過調節上 述四個發動機的轉速來改變與其對應的螺旋槳的轉速，實現該發動機的推力的變化，從而 控制四旋翼飛行器的位置狀態和偏航角Φ，該位置狀態包括水平位置狀態以及垂直位置狀 ??τ O
[0004] 在實現本發明創造的過程中，發明人發現，現有技術主要集中于單個四旋翼飛行 器的控制方法，還未研究多四旋翼飛行器系統的趨同控制方法，上述多四旋翼飛行器系統 是指多個四旋翼飛行器共同飛行的狀態。
【發明內容】
[0005] 有鑒于此，本發明提供了一種四旋翼飛行器趨同控制方法、裝置及系統與四旋翼 飛行器，以克服現有技術中沒有多四旋翼飛行器系統的趨同控制方法的問題。
[0006] 為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：
[0007] 第一方面，一種四旋翼飛行器趨同控制方法，應用于第一四旋翼飛行器，所述第 一四旋翼飛行器屬于多四旋翼飛行器系統，所述多四旋翼飛行器系統形成的通信拓撲圖包 括聯合有向生成樹，所述多四旋翼飛行器系統至少包括所述第一四旋翼飛行器以及第二四 旋翼飛行器集合，所述第二四旋翼飛行器集合由能夠向所述第一四旋翼飛行器進行通信的 一個或多個四旋翼飛行器組成，所述第一四旋翼飛行器的動態模型包括四階欠驅動子系統 以及二階全驅動子系統，所述四階欠驅動子系統包括所述第一四旋翼飛行器的水平位置狀 態、翻滾角以及俯仰角，所述二階全驅動子系統包括所述第一四旋翼飛行器的垂直位置狀 態、偏航角以及地面反作用力，所述四旋翼飛行器驅動控制方法包括：接收所述第二四旋 翼飛行器集合中各個四旋翼飛行器的位置狀態信息，所述第二四旋翼飛行器集合中各個四 旋翼飛行器的位置狀態信息包括水平位置狀態、垂直位置狀態、翻滾角、俯仰角以及偏航 角；依據預先建立的所述第一四旋翼飛行器四個發動機的推力、所述地面反作用力、所述第 一四旋翼飛行器的位置狀態信息的關系信息以及所述第二四旋翼飛行器集合中各個四旋 翼飛行器的位置狀態信息，確定出所述第一四旋翼飛行器的四個發動機的推力，以便使所 述第一四旋翼飛行器趨向于所述第二四旋翼飛行器集合對應的第一空間位置范圍。
[0008] 在第一方面的第一種可能實現方式中，所述第一四旋翼飛行器處于飛行狀態，所 述多四旋翼飛行器系統中至少一個四旋翼飛行器處于靜止狀態，所述依據預先建立的所述 第一四旋翼飛行器四個發動機的推力、所述地面反作用力、所述第一四旋翼飛行器的位置 狀態信息的關系信息以及接收到的所述第二四旋翼飛行器集合中各個四旋翼飛行器的位 置狀態信息，確定出所述第一四旋翼飛行器的四個發動機的推力，以便使所述第一四旋翼 飛行器趨向于所述第二四旋翼飛行器集合對應的第一空間位置范圍包括：依據預先建立的 所述第一四旋翼飛行器四個發動機的推力、所述地面反作用力、所述第一四旋翼飛行器的 位置狀態信息的關系信息以及所述第二四旋翼飛行器集合中各個四旋翼飛行器的位置狀 態信息，確定出與所述四階欠驅動子系統對應的逐步后推控制條件，以及與所述二階全驅 動子系統對應的滑模控制條件；根據所述逐步后推控制條件、所述滑模控制條件以及所述 第二四旋翼飛行器集合中各個四旋翼飛行器的位置狀態信息，計算出所述第一四旋翼飛行 器的四個發送機的推力，以便將所述第一四旋翼飛行器的位置狀態收斂至與所述第二四旋 翼飛行器集合對應的第一空間位置范圍。
[0009] 在第一方面的第二種可能實現方式中，所述多四旋翼飛行器中的各個四旋翼飛 行器均處于飛行狀態，所述依據預先建立的所述第一四旋翼飛行器四個發動機的推力、所 述地面反作用力、所述第一四旋翼飛行器的位置狀態信息的關系信息以及接收到的所述第 二四旋翼飛行器集合中各個四旋翼飛行器的位置狀態信息，確定出所述第一四旋翼飛行器 的四個發動機的推力，以便使所述第一四旋翼飛行器趨向于所述第二四旋翼飛行器集合 對應的第一空間位置范圍包括：依據預先建立的所述第一四旋翼飛行器的四個發動機的 推力、所述地面反作用力、所述第一四旋翼飛行器的位置狀態信息的關系信息以及所述第 二四旋翼飛行器集合中各個四旋翼飛行器的位置狀態信息，確定出與所述四階欠驅動子系 統對應的分布式滑模控制條件，以及與所述二階全驅動子系統對應的分布式狀態反饋控制 條件；根據所述分布式滑模控制條件、所述分布式狀態反饋控制條件以所述第二四旋翼飛 行器集合中各個四旋翼飛行器的位置狀態信息，計算出所述第一四旋翼飛行器的四個發送 機的推力，以便將所述第一四旋翼飛行器的位置狀態牽引至所述第一空間位置范圍，以及 控制所述第一四旋翼飛行器的水平位置狀態收斂的誤差。
[0010] 第二方面，一種四旋翼飛行器趨同控制裝置，應用于第一四旋翼飛行器，所述第 一四旋翼飛行器屬于多四旋翼飛行器系統，所述多四旋翼飛行器系統形成的通信拓撲圖包 括聯合有向生成樹，所述多四旋翼飛行器系統至少包括所述第一四旋翼飛行器以及第二四 旋翼飛行器集合，所述第二四旋翼飛行器集合由能夠向所述第一四旋翼飛行器進行通信的 一個或多個四旋翼飛行器組成，所述第一四旋翼飛行器的動態模型包括四階欠驅動子系統 以及二階全驅動子系統，所述四階欠驅動子系統包括所述第一四旋翼飛行器的水平位置狀 態、翻滾角以及俯仰角，所述二階全驅動子系統包括所述第一四旋翼飛行器的垂直位置狀 態、偏航角以及地面反作用力，所述四旋翼飛行器驅動控制裝置包括：接收模塊，用于接收 第二四旋翼飛行器集合中各個四旋翼飛行器的位置狀態信息，所述第二四旋翼飛行器集合 中各個四旋翼飛行器的位置狀態信息包括水平位置狀態、垂直位置狀態、翻滾角、俯仰角以 及偏航角；確定模塊，用于依據預先建立的所述第一四旋翼飛行器四個發動機的推力、所述 地面反作用力、所述第一四旋翼飛行器的位置狀態信息的關系信息以及所述第二四旋翼飛 行器集合中各個四旋翼飛行器的位置狀態信息，確定出所述第一四旋翼飛行器的四個發動 機的推力，以便使所述第一四旋翼飛行器趨向于所述第二四旋翼飛行器集合對應的第一空 間位置范圍。
[0011] 在第二方面的第一種可能實現方式中，所述第一四旋翼飛行器處于飛行狀態，所 述多四旋翼飛行器系統中至少一個四旋翼飛行器處于靜止狀態，所述確定模塊包括：第一 確定單元，用于依據預先建立的所述第一四旋翼飛行器四個發動機的推力、所述地面反作 用力、所述第一四旋翼飛行器的位置狀態信息的關系信息以及所述第二四旋翼飛行器集合 中各個四旋翼飛行器的位置狀態信息，確定出與所述四階欠驅動子系統對應的逐步后推控 制條件，以及與所述二階全驅動子系統對應的滑模控制條件；第一計算單元，用于根據所 述逐步后推控制條件、所述滑模控制條件以及所述第二四旋翼飛行器集合中各個四旋翼飛 行器的位置狀態信息，計算出所述第一四旋翼飛行器的四個發送機的推力，以便將所述第 一四旋翼飛行器的位置狀態收斂至與所述第二四旋翼飛行器集合對應的第一空間位置范 圍內。
[0012] 在第二方面的第二種可能實現方式中，所述多四旋翼飛行器中的各個四旋翼飛行 器均處于飛行狀態，所述確定模塊包括：第二確定單元，用于依據預先建立的所述第一四旋 翼飛行器的四個發動機的推力、所述地面反作用力、所述第一四旋翼飛行器的位置狀態信 息的關系信息以及所述第二四旋翼飛行器集合中各個四旋翼飛行器的位置狀態信息，確定 出與所述四階欠驅動子系統對應的分布式滑模控制條件，以及與所述二階全驅動子系統對 應的分布式狀態反饋控制條件；第二計算單元，用于根據所述分布式滑模控制條件、所述分 布式狀態反饋控制條件以所述第二四旋翼飛行器集合中各個四旋翼飛行器的位置狀態信 息，計算出所述第一四旋翼飛行器的四個發送機的推力，以便將所述第一四旋翼飛行器的 位置狀態牽引至所述第一空間位置范圍，以及控制所述第一四旋翼飛行器的水平位置狀態 收斂的誤差。
[0013] 第三方面，一種四旋翼飛行器，包括如第二方面、第二方面的第一種可能實現方式 和第二方面的第二種可能實現方式中任一所述的四旋翼飛行器趨同控制裝置。
[0014] 第四方面，一種多四旋翼飛行器系統，包括：如第三方面所述四旋翼飛行器。
[0015] 經由上述的技術方案可知，與現有技術相比，本發明提供了一種四旋翼飛行器趨 同控制方法，依據預先建立的第一四旋翼飛行器四個發動機的推力、地面反作用力、第一四 旋翼飛行器的位置狀態信息的關系信息以及第二四旋翼飛行器集合中各個四旋翼飛行器 的位置狀態信息，確定出第一四旋翼飛行器的四個發動機的推力，從而使第一四旋翼飛行 器趨向于第二四旋翼飛行器集合對應的第一空間位置范圍，從而實現了第一四旋翼飛行器 向第二四旋翼飛行器集合中各個四旋翼飛行器趨同的目的。
【附圖說明】
[0016] 為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發明的實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據 提供的附圖獲得其他的附圖。
[0017] 圖1為現有技術中的四旋翼飛行器的結構示意圖；
[0018] 圖2為本發明實施例提供一種四旋翼飛行器趨同控制方法的流程示意圖；
[0019] 圖3為本發明實施例中一種聯合有向生成樹的結構示意圖；
[0020] 圖4為本發明實施例提供的四旋翼飛行器趨同控制方法中第一四旋翼飛行器趨 向于第二四旋翼飛行器集合對應的第一空間位置范圍的一種實現方式的方法流程示意 圖；
[0021] 圖5為本發明實施例提供的四旋翼飛行器趨同控制方法中第一四旋翼飛行器趨 向于第二四旋翼飛行器集合對應的第一空間位置范圍的另一種實現方式的方法流程示意 圖；
[0022] 圖6為本發明實施例提供的一種四旋翼飛行器趨同控制裝置的結構示意圖；
[0023] 圖7為本發明實施例提供的四旋翼飛行器趨同控制裝置中的確定模塊一種實現 方式的結構示意圖；
[0024] 圖8為本發明實施例提供的四旋翼飛行器趨同控制裝置中確定模塊的另一種實 現方式的結構示意圖；
[0025] 圖9為本發明實施例提供的多四旋翼飛行器系統中各個四旋翼飛行器的X1⑴的 狀態軌跡示意圖；
[0026] 圖10為本發明實施例提供的多四旋翼飛行器系統中各個四旋翼飛行器的yi(t) 的狀態軌跡示意圖；
[0027] 圖11為本發明實施例提供的的多四旋翼飛行器系統中各個四旋翼飛行器的Z1 (t) 的狀態軌跡示意圖；
[0028] 圖12為本發明實施例中一種聯合有向生成樹的結構示意圖；
[0029] 圖13為本發明實施例提供的多四旋翼飛行器系統中各個四旋翼飛行器的X1