一种基于ADRC控制的多无人机协同控制系统及其方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于ADRC控制的多无人机协同控制系统及其方法。所述系统包括主无人机、从属无人机、参数服务器、主无人机关节状态发布模块M0、主无人机偏差运算模块M1、主无人机位置控制器响应模块M2、基于ADRC控制器的从属无人机跟随控制补偿模块M3以及从属无人机的位置控制器响应模块M4。本发明专利技术综合运用Gazebo仿真平台下无人机模型搭建、双无人机协同控制仿真、ADRC控制等理论和方法，解决在不同工作环境下多无人机协同控制系统中从属无人机对主无人机稳定、响应速度快、高效的实时跟随控制的关键技术问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于ADRC控制的多无人机协同控制系统及其方法
本专利技术涉及无人机控制领域，具体涉及一种基于ADRC控制的多无人机协同控制系统及其方法。
技术介绍
随着科学技术的发展和科学理论的成熟，越来越多往日的高新科技产品逐渐地走进了千家万户。如无人机，如今已有多家大型企业研发出了家用型、娱乐型及专业型等型号的无人机供普通消费者使用，这些机型操作简单，飞行稳定安全，还有一些自带摄像头。无人机之所以会发展的如此迅猛，是因为其体积小巧，运动迅捷，控制灵活，可运用于媒体拍摄、医疗设备转移、伤员救助、危险空域检测、军事侦察与反侦察，以及多无人机协同编队的视觉艺术等。目前，随着无人机技术的蓬勃发展，无人机货物运输这一新兴行业如雨后春笋般走进了千家万户。然而比较成熟的无人机型较为轻巧，负载量较小，最大运载不超过10千克物品(无人机物流发展综述_梁璐莉)，无法满足人们的运输需求。如果单纯地扩大无人机的尺寸，虽然能提高负载量，但飞行的灵活性会大打折扣。载荷50千克以上的无人机尺寸可达1m以上(多旋翼无人机在战术后勤中的应用分析_刚桂虎)。因此，人们开始将目光投向了多无人机协同控制领域，多无人机协同工作可以提高整个机组的工作效率以及容错率，许多机构都在努力实现多无人机协同控制系统。为了能充分开发无人机，人们开始不断地研究和改进传统的无人机控制算法。通过基于自抗扰控制器ADRC的多无人机协同控制，不仅在控制算法上对传统的线性PID控制器做出了改进，推动无人机非线性控制理论应用的发展，更进一步地尝试同时对多架无人机进行控制，让无人机的飞行性能更加优越，并且采用多无人机协同工作的方式，可以提高无人机的工作效率，让工作方式更加灵活多变。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种基于ADRC控制的多无人机协同控制系统及其方法，综合运用Gazebo仿真平台下无人机模型搭建、双无人机协同控制仿真、ADRC控制等理论和方法，解决多架无人机协同工作时高效配合工作、平稳飞行的关键技术问题。本专利技术的目的至少通过如下技术方案之一实现。一种基于ADRC控制的多无人机协同控制系统，包括主无人机、从属无人机、参数服务器、主无人机关节状态发布模块M0、主无人机偏差运算模块M1、主无人机位置控制器响应模块M2、基于ADRC控制器的从属无人机跟随控制补偿模块M3以及从属无人机的位置控制器响应模块M4；其中，主无人机与从属无人机之间连接着负载；所述主无人机关节状态发布模块M0用于发布主无人机期望位置的各个关节的状态到参数服务器，传给主无人机偏差运算模块M1；所述主无人机偏差运算模块M1用于接收M0模块的参数，进行相应的运算得到偏差，并根据偏差输出该控制器的控制作用即转子转速给主无人机位置控制器响应模块M2；所述主无人机位置控制器响应模块M2用于获取相应的转子转速，从而使主无人机的各个转子做出相应的响应以移动到期望位置；所述基于ADRC控制器的从属无人机跟随控制补偿模块M3根据主无人机的各个转子的转速得出从属无人机所受的由负载传递过来的被动力，输出描述从属无人机的期望加速度a′des；所述从属无人机的位置控制器响应模块M4通过输入M3中的期望加速度，输出从属无人机的转子转速ω′rotor实现对从属无人机的控制。进一步地，所述主无人机关节状态发布模块M0将各个关节的实时状态包括坐标，线速度，角速度传到参数服务器上。进一步地，所述主无人机偏差运算模块M1中：主无人机控制器节点根据主无人机的实时状态参数运算得到偏差并输出位置控制器的控制作用即各个电机相应的转速；所述主无人机的实时状态参数包括主无人机的坐标、线速度、角速度。所述主无人机位置控制器响应模块M2，根据主无人机偏差运算模块M1输出的各个电机相应的转速运转电机。一种基于ADRC控制的多无人机协同控制方法，包括以下步骤：S1、主无人机关节状态发布模块M0发布主无人机期望位置的各个关节的状态到参数服务器，传给主无人机偏差运算模块M1；S2、主无人机偏差运算模块M1接收主无人机关节状态发布模块M0的参数后会进行相应的运算得到偏差，并根据偏差输出该控制器的控制作用即转子转速给主无人机位置控制器响应模块M2；S3、主无人机位置控制器响应模块M2获取相应的转子转速，从而使主无人机的各个转子做出相应的响应以移动到期望位置，此时各个关节的实时状态发生变化，并将主无人机的实时状态参数传给主无人机偏差运算模块M1，主无人机偏差运算模块M1经过运算得到偏差输出控制器的控制作用给主无人机位置控制器响应模块M2，形成完整的负反馈控制回路；S4、基于ADRC控制器的从属无人机跟随控制补偿模块M3通过基于ADRC的算法计算得出从属无人机所受的由负载传递过来的被动力，输出描述从属无人机的期望加速度a′des；S5、从属无人机的位置控制器响应模块M4通过输入基于ADRC控制器的从属无人机跟随控制补偿模块M3中的期望加速度，输出从属无人机的转子转速ω′rotor实现对从属无人机的控制。进一步地，根据权利要求5所述的一种基于ADRC控制的多无人机协同控制方法，其特征在于，步骤S2包括以下步骤：S2.1、主无人机偏差运算模块M1接收主无人机关节状态发布模块M0发布的主无人机的实时状态参数，包括坐标，线速度，角速度；S2.2、主无人机控制器节点得到步骤S2.1的参数后会进行基于偏差运算得到偏差并输出位置控制器的控制作用即各个电机相应的转速；S2.3、主无人机的各个转子接收控制作用做出相应的响应，各个关节的实时状态发生变化。进一步地，步骤S2.2中，所述基于偏差运算得到偏差并输出位置控制器的控制作用即各个电机相应的转速具体如下：三维列向量gn_att为标准化姿态增益，三维行向量gatt为参数文件中的姿态增益，无人机转动惯量为imn(m,n＝x,y,z)，则有其中，ixx＝∫∫∫V(y2+z2)ρdV；iyy＝∫∫∫V(x2+z2)ρdV；izz＝∫∫∫V(x2+y2)ρdV；ixy＝∫∫∫V(xy)ρdV；ixz＝∫∫∫V(xz)ρdV；iyz＝∫∫∫V(yz)ρdV；(x、y、z为坐标轴的三个方向，ixx、iyy、izz分别为对于x轴、y轴、z轴的转动惯量，ixy、ixz、iyz为惯性积)三维列向量gn_ang为标准化角速度增益，参数服务器的参数文件中的角速度增益为gang，则有设分配矩阵为A，惯性矩阵I为则转子转速角加速度arv_ang有arv_ang＝AT*(A*AT)-1*I；(5)设三维列向量位置误差为Perr，指定轨迹位置为Pct，实际位置为Pact，则有Perr＝Pact-Pct；(6)设三维列向量速度误差为verr，指定轨迹速度为vct，实际速度为vact，则有verr＝vact-vct；(7)设无人机质量为m，参数服务器的参数文件中的位置增益为gpos，速度增益为g本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于ADRC控制的多无人机协同控制系统，其特征在于，包括主无人机、从属无人机、参数服务器、主无人机关节状态发布模块M0、主无人机偏差运算模块M1、主无人机位置控制器响应模块M2、基于ADRC控制器的从属无人机跟随控制补偿模块M3以及从属无人机的位置控制器响应模块M4；其中，主无人机与从属无人机之间连接着负载；/n所述主无人机关节状态发布模块M0用于发布主无人机期望位置的各个关节的状态到参数服务器，传给主无人机偏差运算模块M1；/n所述主无人机偏差运算模块M1用于接收M0模块的参数，进行相应的运算得到偏差，并根据偏差输出该控制器的控制作用即转子转速给主无人机位置控制器响应模块M2；/n所述主无人机位置控制器响应模块M2用于获取相应的转子转速，从而使主无人机的各个转子做出相应的响应以移动到期望位置；/n所述基于ADRC控制器的从属无人机跟随控制补偿模块M3根据主无人机的各个转子的转速得出从属无人机所受的由负载传递过来的被动力，输出描述从属无人机的期望加速度a′

【技术特征摘要】
1.一种基于ADRC控制的多无人机协同控制系统，其特征在于，包括主无人机、从属无人机、参数服务器、主无人机关节状态发布模块M0、主无人机偏差运算模块M1、主无人机位置控制器响应模块M2、基于ADRC控制器的从属无人机跟随控制补偿模块M3以及从属无人机的位置控制器响应模块M4；其中，主无人机与从属无人机之间连接着负载；
所述主无人机关节状态发布模块M0用于发布主无人机期望位置的各个关节的状态到参数服务器，传给主无人机偏差运算模块M1；
所述主无人机偏差运算模块M1用于接收M0模块的参数，进行相应的运算得到偏差，并根据偏差输出该控制器的控制作用即转子转速给主无人机位置控制器响应模块M2；
所述主无人机位置控制器响应模块M2用于获取相应的转子转速，从而使主无人机的各个转子做出相应的响应以移动到期望位置；
所述基于ADRC控制器的从属无人机跟随控制补偿模块M3根据主无人机的各个转子的转速得出从属无人机所受的由负载传递过来的被动力，输出描述从属无人机的期望加速度a′des；
所述从属无人机的位置控制器响应模块M4通过输入M3中的期望加速度，输出从属无人机的转子转速ω′rotor实现对从属无人机的控制。


2.根据权利要求1所述的一种基于ADRC控制的多无人机协同控制系统，其特征在于：所述主无人机关节状态发布模块M0将各个关节的实时状态包括坐标，线速度，角速度传到参数服务器上。


3.根据权利要求1所述的一种基于ADRC控制的多无人机协同控制系统，其特征在于：所述主无人机偏差运算模块M1中：主无人机控制器节点根据主无人机的实时状态参数运算得到偏差并输出位置控制器的控制作用即各个电机相应的转速；所述主无人机的实时状态参数包括主无人机的坐标、线速度、角速度；
所述主无人机位置控制器响应模块M2，根据主无人机偏差运算模块M1输出的各个电机相应的转速运转电机。


4.根据权利要求1所述的一种基于ADRC控制的多无人机协同控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、主无人机关节状态发布模块M0发布主无人机期望位置的各个关节的状态到参数服务器，传给主无人机偏差运算模块M1；
S2、主无人机偏差运算模块M1接收主无人机关节状态发布模块M0的参数后会进行相应的运算得到偏差，并根据偏差输出该控制器的控制作用即转子转速给主无人机位置控制器响应模块M2；
S3、主无人机位置控制器响应模块M2获取相应的转子转速，从而使主无人机的各个转子做出相应的响应以移动到期望位置，此时各个关节的实时状态发生变化，并将主无人机的实时状态参数传给主无人机偏差运算模块M1，主无人机偏差运算模块M1经过运算得到偏差输出控制器的控制作用给主无人机位置控制器响应模块M2，形成完整的负反馈控制回路；
S4、基于ADRC控制器的从属无人机跟随控制补偿模块M3通过基于ADRC的算法计算得出从属无人机所受的由负载传递过来的被动力，输出描述从属无人机的期望加速度a′des；
S5、从属无人机的位置控制器响应模块M4通过输入基于ADRC控制器的从属无人机跟随控制补偿模块M3中的期望加速度，输出从属无人机的转子转速ω′rotor实现对从属无人机的控制。


5.根据权利要求4所述的一种基于ADRC控制的多无人机协同控制方法，其特征在于，步骤S2包括以下步骤：
S2.1、主无人机偏差运算模块M1接收主无人机关节状态发布模块M0发布的主无人机的实时状态参数，包括坐标，线速度，角速度；
S2.2、主无人机控制器节点得到步骤S2.1的参数后会进行基于偏差运算得到偏差并输出位置控制器的控制作用即各个电机相应的转速；
S2.3、主无人机的各个转子接收控制作用做出相应的响应，各个关节的实时状态发生变化。


6.根据权利要求5所述的一种基于ADRC控制的多无人机协同控制方法，其特征在于：步骤S2.2中，所述基于偏差运算得到偏差并输出位置控制器的控制作用即各个电机相应的转速具体如下：
三维列向量gn_att为标准化姿态增益，三维行向量gatt为参数文件中的姿态增益，无人机转动惯量为imn(m,n＝x,y,z)，则有



其中，ixx＝∫∫∫V(y2+z2)ρdV；iyy＝∫∫∫V(x2+z2)ρdV；izz＝∫∫∫V(x2+y2)ρdV；ixy＝∫∫∫V(xy)ρdV；ixz＝∫∫∫V(xz)ρdV；iyz＝∫∫∫V(yz)ρdV；x、y、z为坐标轴的三个方向，ixx、iyy、izz分别为对于x轴、y轴、z轴的转动惯量，ixy、ixz、iyz为惯性积；
三维列向量gn_ang为标准化角速度增益，参数服务器的参数文件中的角速度增益为gang，则有



设分配矩阵为A，



惯性矩阵I为



则转子转速角加速度arv_ang有
arv_ang＝AT*(A*AT)-1*I；(5)
设三维列向量位置误差为Perr，指定轨迹位置为Pct，实际位置为Pact，则有
Perr＝Pact-Pct；(6)
设三维列向量速度误差为verr，指定轨迹速度为vct，实际速度为vact，则有
verr＝vact-vct；(7)
设无人机质量为m，参数服务器的参数文件中的位置增益为gpos，速度增益为gvel，重力加速度为g，指定轨迹加速度为act，则期望加速度ades为



设无人机仰角为yaw，则具体参数如下：



b3des＝-ades*norm(ades)；(10)
b2des＝b3des×b1des；(11)
其中，b1des、b3des、b2des为偏航角跟踪参考轨迹信号，norm(ades)表示ades的2-范数；可得三维期望定位矩阵Rdes为
Rdes＝[b2des×b3desb2desb3des]；(12)
设三维角度误差矩阵为Angerr，定位矩阵为R，






则三维列向量角度误差angerr有(Angerr(a,b),表示Angerr矩阵第a行第b列的元素)



设期望角速率为ratedes_ang，实际角速率为rateact_ang，则角速率误差rateerr_...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘富春，兰涛，黄耀斌，杨煜清，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44