基于饱和阈值事件触发的高层消防无人机编队控制方法及系统技术方案

本公开提出了基于饱和阈值事件触发的高层消防无人机编队控制方法及系统，包括：构建基于饱和阈值事件触发策略的控制器，该控制器被配置为：设定随控制器幅值变化的触发阈值，符合触发条件时才执行控制任务的事件触发控制策略，事件触发控制策略将触发阈值与控制器的幅值相关联，以保证控制性能的同时不会产生对系统造成冲击的控制更新。本公开技术方案公开了一个饱和阈值策略来将触发阈值与控制器的幅值联系起来，保证系统有良好控制性能的同时，而不会产生一个非常大的控制更新，对系统造成冲击。

【技术实现步骤摘要】
基于饱和阈值事件触发的高层消防无人机编队控制方法及系统
本公开属于无人机编队控制
，尤其涉及基于饱和阈值事件触发的高层消防无人机编队控制方法及系统。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。随着城市建设规模不断扩大，如何在复杂多变的火场条件中进行高层建筑灭火及人员逃生越来越受到人们的关注。无人机由于行动迅速灵活并且成本低廉，借助无人机进行现场火情勘察及人员逃生引导成为了一个有效手段。但是高层建筑往往建筑结构复杂，救援任务繁重，单靠一架无人机无法完成实际的需要。与单架无人机相比，无人机集群具有的协同控制、能力互补等特点，极大的提高了任务的执行效率。因此，多无人机系统的协同控制是当今无人机领域的研究热点。而多无人机编队控制是其中最受瞩目的研究方向。这其中姿态的一致控制对编队控制的实现具有举足轻重的地位。第五代通信(5G)技术拥有高速率(峰值传输速率达到10Gbit/s)、低延时(端到端时延达到ms级)、节能、减少成本、更高的系统容量(连接设备密度增加10～100倍，流量密度提升1000倍)和为大量设备提供联接，且能在速度为500km/h左右为用户提供稳定的用户体验。随着信息技术及5G技术的高速发展，信息物理系统(CPS，Cyber-PhysicalSystems)也随之发展壮大。CPS是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过3C(Computation、Communication、Control)技术的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。CPS实现计算、通信与物理系统的一体化设计，可使系统更加可靠、高效、实时协同，具有重要而广泛的应用前景。CPS的意义在于将物理设备联网，让物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治等五大功能。CPS本质上是一个具有控制属性的网络，但它又有别于现有的控制系统。CPS则把通信放在与计算和控制同等地位上，因为CPS强调的分布式应用系统中物理设备之间的协调是离不开通信的。CPS对网络内部设备的远程协调能力、自治能力、控制对象的种类和数量，特别是网络规模上远远超过现有的工控网络。美国国家科学基金会认为，CPS将让整个世界互联起来。如同互联网改变了人与人的互动一样，CPS将会改变我们与物理世界的互动。高层消防四旋翼无人机的高危的工作环境导致无人机的损耗甚至报废在所难免，因此，在能够完成消防相关任务的前提下，尽可能地削减单架无人机成本是合理的要求。第五代通信技术和CPS研究的高速发展为降低单架无人机的成本提供了可靠的技术支撑。专利技术人在研究中发现，为了削减单架消防无人机的成本，可用于检测无人机系统状态的传感器有限，同样，低成本也意味着无人机所携带的能源有限。传统上，控制任务以周期性的方式执行，即系统控制采用时间触发控制策略，这种控制策略在控制单元的每一次刷新都会发送控制信号给无人机，无人机根据控制信号做出相应的动作。时间触发控制策略为了保障系统的良好性能，系统稳定时也需要维持长时间的快速采样,这样不仅会导致系统的能耗过高，还会增加执行器的机械磨损，从而缩短系统的使用寿命。
技术实现思路
为克服上述现有技术的不足，本公开提供了基于饱和阈值事件触发的高层消防无人机编队控制方法，采用只有符合触发条件时才执行控制任务的事件触发控制策略，保证系统有良好控制性能的同时，而不会产生一个非常大的控制更新，对系统造成冲击。为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：第一方面，公开了基于饱和阈值事件触发的高层消防无人机编队控制方法，包括：构建基于饱和阈值事件触发策略的控制器，该控制器被配置为：设定随控制器幅值变化的触发阈值，符合触发条件时执行控制任务的事件触发控制策略，事件触发控制策略将触发阈值与控制器的幅值相关联，以保证控制性能的同时不会产生对系统造成冲击的控制更新。进一步的技术方案，基于饱和阈值事件触发策略的控制器，使得每一僚机能以与领机的姿态保持同步，即每一架僚机的侧倾角能与领机的侧倾角保持一致；俯仰角能与领机的俯仰角保持一致；偏航角能与领机的偏航角保持一致。进一步的技术方案，还包括：处在工作现场的消防无人机通过传感器采集系统输出信息，发送到处于安全位置的控制中心，控制中心基于构建的基于饱和阈值事件触发策略的控制器计算出控制信号后通过网络传输回无人机系统，无人机接收信号后执行器做出相应的执行动作，从而完成控制过程。进一步的技术方案，构建基于饱和阈值事件触发策略的控制器之前还包括：建立信息物理系统框架下的四旋翼无人机姿态系统数学模型；基于上述模型描述无人机编队中各个无人机之间通信拓扑结构；针对拓扑结构利用神经网络逼近系统中的未知非线性项，然后基于逼近结果构建神经网络状态观测器；进一步的技术方案，基于逼近得到的状态信息构建同步误差和误差面，并基于李雅普诺夫稳定性定义，引入了跟踪微分器逼近虚拟控制的导数设计虚拟控制器和自适应律。进一步的技术方案，所述四旋翼无人机姿态系统数学模型构建针对对象是：仅配备少量的系统输出传感器，执行器和通信器件，没有装备控制单元的消防四旋翼无人机系统。进一步的技术方案，所述四旋翼无人机姿态系统数学模型构建时：忽略飞行器复杂的空气动力学特性，简化无人机模型，假设各无人机高度固定，仅关注无人机编队的姿态行为，从而得到每个无人机姿态系统的数学模型。进一步的技术方案，描述无人机编队中各个无人机之间通信拓扑结构时，利用有向图描述编队中无人机之间的有向通信拓扑关系。优选的，有向图G＝{V,E}中，V＝{1,2,...,N}表示图G中节点的集合，且″1,2,...,N″表示僚机的编号，表示图中有向边的集合，且(j,i)意味着僚机i能接收到来自节点j的信息，并称节点j是僚机i的一个邻居。第二方面，公开了基于饱和阈值事件触发的高层消防无人机编队控制系统，包括：传感器采集系统、控制中心；所述传感器采集系统采集处在工作现场的消防无人机输出信息，发送到处于安全位置的控制中心，所述控制中心基于构建的基于饱和阈值事件触发策略的控制器计算出控制信号后通过网络传输回无人机系统，无人机接收信号后执行器做出相应的执行动作，从而完成控制过程；基于饱和阈值事件触发策略的控制器，该控制器被配置为：设定随控制器幅值变化的触发阈值，符合触发条件时执行控制任务的事件触发控制策略，事件触发控制策略将触发阈值与控制器的幅值相关联，以保证控制性能的同时不会产生对系统造成冲击的控制更新。以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：1.本公开技术方案在完成高层消防无人机编队任务的基础上，传感器采集信息通过网络发送给控制中心，控制信号通过网络传输回无人机，这里的网络可以是自己搭建的简易通信基站，可以是第5代(5G)通信技术，充分利用当下最新通信技术，削减单架无人机的成本，体现在不需要装备传感器检测无人机状态，只需传感器检测系统输出。无人机中不需要搭载控制单元，由于设计了事件本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于饱和阈值事件触发的高层消防无人机编队控制方法，其特征是，包括：/n构建基于饱和阈值事件触发策略的控制器，该控制器被配置为：设定随控制器幅值变化的触发阈值，符合触发条件时才执行控制任务的事件触发控制策略，事件触发控制策略将触发阈值与控制器的幅值相关联，以保证控制性能的同时不会产生对系统造成冲击的控制更新。/n

【技术特征摘要】
1.基于饱和阈值事件触发的高层消防无人机编队控制方法，其特征是，包括：
构建基于饱和阈值事件触发策略的控制器，该控制器被配置为：设定随控制器幅值变化的触发阈值，符合触发条件时才执行控制任务的事件触发控制策略，事件触发控制策略将触发阈值与控制器的幅值相关联，以保证控制性能的同时不会产生对系统造成冲击的控制更新。


2.如权利要求1所述的基于饱和阈值事件触发的高层消防无人机编队控制方法，其特征是，基于饱和阈值事件触发策略的控制器，使得每一僚机能以与领机的姿态保持同步，即每一架僚机的侧倾角能与领机的侧倾角保持一致；俯仰角能与领机的俯仰角保持一致；偏航角能与领机的偏航角保持一致。


3.如权利要求1所述的基于饱和阈值事件触发的高层消防无人机编队控制方法，其特征是，还包括：处在工作现场的消防无人机通过传感器采集系统输出信息，发送到处于安全位置的控制中心，控制中心基于构建的基于饱和阈值事件触发策略的控制器计算出控制信号后通过网络传输回无人机系统，无人机接收信号后执行器做出相应的执行动作，从而完成控制过程。


4.如权利要求1所述的基于饱和阈值事件触发的高层消防无人机编队控制方法，其特征是，构建基于饱和阈值事件触发策略的控制器之前还包括：
建立信息物理系统框架下的四旋翼无人机姿态系统数学模型；
基于上述模型描述无人机编队中各个无人机之间通信拓扑结构；
针对拓扑结构利用神经网络逼近系统中的未知非线性项，然后基于逼近结果构建神经网络状态观测器。


5.如权利要求1所述的基于饱和阈值事件触发的高层消防无人机编队控制方法，其特征是，基于状态观测器得到的状态信息构建同步误差和误差面，然后基于李雅普诺夫稳定性定义，设计虚拟控制器和自适应律，并引入了跟踪微分器逼近虚拟控制器的导数。


6.如权利要求1所述的基于饱和阈值事件触发的高层消防无人机编队控制方法，其特征是，所述四旋翼无...

【专利技术属性】
技术研发人员：李鸿一，陈广登，鲁仁全，曹亮，任鸿儒，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44