一种基于动态事件触发的无人机输出反馈协同控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于动态事件触发的无人机输出反馈协同控制系统，包括多个无人机控制模块通过通信拓扑模块连接；协同模块与通信拓扑模块、动态事件触发模块和分布式动态补偿模块连接；一致性控制模块分别与分布式动态补偿模块和分布式观测模块连接；无人机控制模块与一致性控制模块连接；且分别与分布式观测模块连接；动态事件触发模块与分布式动态补偿模块连接；动态事件触发模块与通信拓扑模块连接。本发明专利技术通过动态事件触发机制的设计，减少了网络之间不必要的通信传输以及因连续通信带来的不必要的机载能量消耗，显著降低了控制器设计的复杂度，减少了计算负荷，提高了控制器设计的灵活性，便于工程实现。便于工程实现。便于工程实现。

【技术实现步骤摘要】
一种基于动态事件触发的无人机输出反馈协同控制系统


[0001]本专利技术涉及无人机制导控制
，尤其涉及一种基于动态事件触发的无人机输出反馈协同控制系统。

技术介绍

[0002]无人机作为现代战争中军事技术不断发展的产物，凭借其体积小、成本低、机动性强、操作难度低等特点，目前已广泛应用于军事战场和民用科技等领域，在国防和国民经济建设、科学技术发展中发挥了广泛而重要的应用。然而在更多情况下，单架无人机可以完成的任务类型相对单一，其作业效率也较低。与单架无人机相比，多无人机集群协同可以优化任务分配，提升任务执行效率，减少任务执行时间，与此同时，当部分个体出现故障时，多无人机协同系统仍具备一定的完整性，能够继续执行任务。总体而言，多无人机协同既能发挥单架无人机的优势，又能避免单架无人机由于自身限制而导致的任务执行受限等问题，成为未来无人机重要的发展方向。
[0003]无人机编队一致性问题是多无人机协同控制中的一个关键问题，可以为很多其他协同作业任务的实现提供基础。无人机编队一致性的主要目标是通过利用邻居无人机的信息设计分布式控制器，从而使整个无人机系统达到预期的状态协议。目前，在无人机编队一致性方面，已有学者提出了许多可行的控制方法，但现有控制方法仍存在以下问题：
[0004]第一，现有的多无人机一致性控制方案大多采用固定周期采样的通信方式。由于无人机能够携带的电池、微处理器、通信和感知模块容量较小，无人机之间的数据传输能力往往有限，上述周期采样通信方式容易导致通信冗余，增加了系统的计算与通信负担。对于资源受限的无人机来说，现有的固定周期采样控制协议过多地占用了无人机有限的硬件和软件资源，从而影响了整体控制效果。
[0005]第二，现有的一些多无人机一致性控制研究需要依赖无人机的精确数学模型，抗干扰能力较差。当无人机动力学系统受到复杂气流和极端天气带来的外部干扰的情况下，控制效果会大打折扣，使得多无人机在实现编队一致性任务时存在一定难度。
[0006]第三，现有的多无人机一致性控制协议在执行时通常需要依赖无人机集群系统的某些全局信息，例如依赖于通信拓扑的特征信息以及无人机集群系统的总数量等，这些全局信息的使用影响了一致性控制协议的设计灵活度。一旦部分无人机故障导致通信拓扑结构或可行的无人机总数发生变化时，难以继续完成编队一致性控制任务。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供一种基于动态事件触发的无人机输出反馈协同控制系统，以克服上述技术问题。
[0008]本专利技术的技术方案如下：
[0009]一种基于动态事件触发的无人机输出反馈协同控制系统，包括：多个无人机；所述无人机包括通信拓扑模块、无人机控制模块、分布式动态补偿模块、协同模块、分布式观测
模块、一致性控制模块、动态事件触发模块；
[0010]多个所述无人机的无人机控制模块的输出端通过所述通信拓扑模块通信连接；以获取多个无人机控制模块的测量输出信号，建立无人机之间的信息传递通道；
[0011]所述协同模块的输入端与所述通信拓扑模块的输出端和所述动态事件触发模块的输出端连接，用于获取采样时刻的测量输出信号，以输出协同测量信号；
[0012]所述分布式动态补偿模块的输入端与所述协同模块的输出端连接，用于获取所述协同测量信号，生成动态补偿信号；
[0013]所述一致性控制模块的输入端分别与所述分布式动态补偿模块的输出端和所述分布式观测模块的输出端连接，以获取所述动态补偿信号和状态估计信号，在事件触发间隔内执行一致性控制协议；
[0014]所述无人机控制模块的输入端与所述一致性控制模块的输出端连接；以获取无人机控制模块的测量输出信号；
[0015]所述分布式观测模块的输入端分别与无人机控制模块的输出端和一致性控制模块的输出端连接，以对获取无人机的状态估计信号；
[0016]所述动态事件触发模块的输入端与所述分布式动态补偿模块的输出端连接；以基于所述动态补偿信号生成事件触发误差信号，并设计动态事件触发条件；
[0017]所述动态事件触发模块的输出端与所述通信拓扑模块连接，以实现当满足事件触发条件时，无人机控制模块之间进行通信。
[0018]进一步的，所述通信拓扑模块建立为G(V,Ξ)；其中：V＝{1,...,N}表示节点集合，N代表集群系统中无人机的总数；Ξ∈(V
×
V)表示边集合；若(j,i)∈Ξ,j,i∈V，则称无人机j是无人机i的邻居，其中i代表无人机i，j代表无人机j；
[0019]令N
i
＝{j∈V|(j,i)∈Ξ}表示无人机i的邻居集合，表示邻接矩阵；
[0020]无人机的动力学模型建立如下：建立无人机i沿X轴方向的运动模型：
[0021][0022]其中，v
i
为无人机i的速度，为无人机i的速度导数，为无人机i的执行器动态变量的导数；θ为偏航角，M
g
为无人机i的重量，K
m
为增益矩阵，K
m
>0；ω
m
为执行器带宽，u
i
表示无人机控制模块控制输入；w
i
表示施加于无人机控制模块控制控制输入上的外部扰动；
[0023]建立无人机i的状态空间表达式为：
[0024][0025]其中，为无人机i的状态变量，s
i
(t)表示无人机i在X方向的位移变量；v
i
(t)表示无人机i在X方向的速度变量；k
i
(t)表示无人机i在X方向的执行器动态变量；y
i
(t)为无人机i的测量输出；
[0026]建立简化的无人机的动力学模型如下：
[0027][0028]其中，代表无人机i的系统状态，代表无人机i的控制输入，代表无人机i的测量输出信号；代表无人机i的动力学系统受到的外部环境扰动，A为系统矩阵，B为控制输入矩阵，C为输出矩阵，E为扰动矩阵；
[0029]其中：
[0030][0031][0032]C＝[1 0 0]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)；
[0033][0034]进一步的，所述协同测量信号计算如下：
[0035][0036]其中，为采样时刻的协同测量信号；表示当前触发时刻无人机i的动态补偿信号，表示当前触发时刻无人机i的邻居的动态补偿信号，为采样时刻，N为无人机的总数；a
ij
为邻接矩阵中的元素。
[0037]进一步的，所述动态补偿信号包括当前触发时刻的动态补偿信号、采样时刻的动态补偿信号以及邻居无人机采样时刻的动态补偿信号；
[0038]所述动态补偿信号的获取如下：
[0039][0040]其中，η
i
(t)是无人机i所产生的动态补偿信号，是表示对η
i
(t)进行求导运算；μ
i
(t)是分布式动态补偿模块的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于动态事件触发的无人机输出反馈协同控制系统，其特征在于，包括：多个无人机；所述无人机包括通信拓扑模块、无人机控制模块、分布式动态补偿模块、协同模块、分布式观测模块、一致性控制模块、动态事件触发模块；多个所述无人机的无人机控制模块的输出端通过所述通信拓扑模块通信连接；以获取多个无人机控制模块的测量输出信号，建立无人机之间的信息传递通道；所述协同模块的输入端与所述通信拓扑模块的输出端和所述动态事件触发模块的输出端连接，用于获取采样时刻的测量输出信号，以输出协同测量信号；所述分布式动态补偿模块的输入端与所述协同模块的输出端连接，用于获取所述协同测量信号，生成动态补偿信号；所述一致性控制模块的输入端分别与所述分布式动态补偿模块的输出端和所述分布式观测模块的输出端连接，以获取所述动态补偿信号和状态估计信号，在事件触发间隔内执行一致性控制协议；所述无人机控制模块的输入端与所述一致性控制模块的输出端连接；以获取无人机控制模块的测量输出信号；所述分布式观测模块的输入端分别与无人机控制模块的输出端和一致性控制模块的输出端连接，以对获取无人机的状态估计信号；所述动态事件触发模块的输入端与所述分布式动态补偿模块的输出端连接；以基于所述动态补偿信号生成事件触发误差信号，并设计动态事件触发条件；所述动态事件触发模块的输出端与所述通信拓扑模块连接，以实现当满足事件触发条件时，无人机控制模块之间进行通信。2.根据权利要求1所述的一种基于动态事件触发的无人机输出反馈协同控制系统，其特征在于，所述通信拓扑模块建立为G(V,Ξ)；其中：V＝{1,...,N}表示节点集合，N代表集群系统中无人机的总数；Ξ∈(V
×
V)表示边集合；若(j,i)∈Ξ,j,i∈V，则称无人机j是无人机i的邻居，其中i代表无人机i，j代表无人机j；令N
i
＝{j∈V|(j,i)∈Ξ}表示无人机i的邻居集合，表示邻接矩阵；无人机的动力学模型建立如下：建立无人机i沿X轴方向的运动模型：其中，v
i
为无人机i的速度，为无人机i的速度导数，为无人机i的执行器动态变量的导数；θ为偏航角，M
g
为无人机i的重量，K
m
为增益矩阵，K
m
>0；ω
m
为执行器带宽，u
i
表示无人机控制模块控制输入；w
i
表示施加于无人机控制模块控制控制输入上的外部扰动；建立无人机i的状态空间表达式为：
其中，为无人机i的状态变量，s
i
(t)表示无人机i在X方向的位移变量；v
i
(t)表示无人机i在X方向的速度变量；k
i
(t)表示无人机i在X方向的执行器动态变量；y
i
(t)为无人机i的测量输...

【专利技术属性】
技术研发人员：王安青，鞠磊，刘陆，彭周华，王浩亮，王丹，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：