四旋翼飞行器趋同控制方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及航天技术领域，更具体的说，是涉及四旋翼飞行器趋同控制方法、装置 及系统与四旋翼飞行器。
【背景技术】
[0002] 近年来，四旋翼飞行器收到越来越多的关注和研究，由于它结构简单、轻巧灵便且 无人驾驶，被广泛应用于军事和民用领域，譬如对复杂战场的搜救、侦查，森林火灾的监测、 营救。
[0003] 四旋翼飞行器的四个螺旋桨，即螺旋桨1、螺旋桨2、螺旋桨3以及螺旋桨4,分布 在机体101的前后、左右四个方向，四个螺旋桨处于同一高度平面，每一螺旋桨对应一发动 机，发动机对称的安装在四旋翼飞行器的支架5端，如图1所示。四旋翼飞行器通过调节上 述四个发动机的转速来改变与其对应的螺旋桨的转速，实现该发动机的推力的变化，从而 控制四旋翼飞行器的位置状态和偏航角Φ，该位置状态包括水平位置状态以及垂直位置状 ??τ O
[0004] 在实现本发明创造的过程中，发明人发现，现有技术主要集中于单个四旋翼飞行 器的控制方法，还未研究多四旋翼飞行器系统的趋同控制方法，上述多四旋翼飞行器系统 是指多个四旋翼飞行器共同飞行的状态。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明提供了一种四旋翼飞行器趋同控制方法、装置及系统与四旋翼 飞行器，以克服现有技术中没有多四旋翼飞行器系统的趋同控制方法的问题。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0007] 第一方面，一种四旋翼飞行器趋同控制方法，应用于第一四旋翼飞行器，所述第 一四旋翼飞行器属于多四旋翼飞行器系统，所述多四旋翼飞行器系统形成的通信拓扑图包 括联合有向生成树，所述多四旋翼飞行器系统至少包括所述第一四旋翼飞行器以及第二四 旋翼飞行器集合，所述第二四旋翼飞行器集合由能够向所述第一四旋翼飞行器进行通信的 一个或多个四旋翼飞行器组成，所述第一四旋翼飞行器的动态模型包括四阶欠驱动子系统 以及二阶全驱动子系统，所述四阶欠驱动子系统包括所述第一四旋翼飞行器的水平位置状 态、翻滚角以及俯仰角，所述二阶全驱动子系统包括所述第一四旋翼飞行器的垂直位置状 态、偏航角以及地面反作用力，所述四旋翼飞行器驱动控制方法包括：接收所述第二四旋 翼飞行器集合中各个四旋翼飞行器的位置状态信息，所述第二四旋翼飞行器集合中各个四 旋翼飞行器的位置状态信息包括水平位置状态、垂直位置状态、翻滚角、俯仰角以及偏航 角；依据预先建立的所述第一四旋翼飞行器四个发动机的推力、所述地面反作用力、所述第 一四旋翼飞行器的位置状态信息的关系信息以及所述第二四旋翼飞行器集合中各个四旋 翼飞行器的位置状态信息，确定出所述第一四旋翼飞行器的四个发动机的推力，以便使所 述第一四旋翼飞行器趋向于所述第二四旋翼飞行器集合对应的第一空间位置范围。
[0008] 在第一方面的第一种可能实现方式中，所述第一四旋翼飞行器处于飞行状态，所 述多四旋翼飞行器系统中至少一个四旋翼飞行器处于静止状态，所述依据预先建立的所述 第一四旋翼飞行器四个发动机的推力、所述地面反作用力、所述第一四旋翼飞行器的位置 状态信息的关系信息以及接收到的所述第二四旋翼飞行器集合中各个四旋翼飞行器的位 置状态信息，确定出所述第一四旋翼飞行器的四个发动机的推力，以便使所述第一四旋翼 飞行器趋向于所述第二四旋翼飞行器集合对应的第一空间位置范围包括：依据预先建立的 所述第一四旋翼飞行器四个发动机的推力、所述地面反作用力、所述第一四旋翼飞行器的 位置状态信息的关系信息以及所述第二四旋翼飞行器集合中各个四旋翼飞行器的位置状 态信息，确定出与所述四阶欠驱动子系统对应的逐步后推控制条件，以及与所述二阶全驱 动子系统对应的滑模控制条件；根据所述逐步后推控制条件、所述滑模控制条件以及所述 第二四旋翼飞行器集合中各个四旋翼飞行器的位置状态信息，计算出所述第一四旋翼飞行 器的四个发送机的推力，以便将所述第一四旋翼飞行器的位置状态收敛至与所述第二四旋 翼飞行器集合对应的第一空间位置范围。
[0009] 在第一方面的第二种可能实现方式中，所述多四旋翼飞行器中的各个四旋翼飞 行器均处于飞行状态，所述依据预先建立的所述第一四旋翼飞行器四个发动机的推力、所 述地面反作用力、所述第一四旋翼飞行器的位置状态信息的关系信息以及接收到的所述第 二四旋翼飞行器集合中各个四旋翼飞行器的位置状态信息，确定出所述第一四旋翼飞行器 的四个发动机的推力，以便使所述第一四旋翼飞行器趋向于所述第二四旋翼飞行器集合 对应的第一空间位置范围包括：依据预先建立的所述第一四旋翼飞行器的四个发动机的 推力、所述地面反作用力、所述第一四旋翼飞行器的位置状态信息的关系信息以及所述第 二四旋翼飞行器集合中各个四旋翼飞行器的位置状态信息，确定出与所述四阶欠驱动子系 统对应的分布式滑模控制条件，以及与所述二阶全驱动子系统对应的分布式状态反馈控制 条件；根据所述分布式滑模控制条件、所述分布式状态反馈控制条件以所述第二四旋翼飞 行器集合中各个四旋翼飞行器的位置状态信息，计算出所述第一四旋翼飞行器的四个发送 机的推力，以便将所述第一四旋翼飞行器的位置状态牵引至所述第一空间位置范围，以及 控制所述第一四旋翼飞行器的水平位置状态收敛的误差。
[0010] 第二方面，一种四旋翼飞行器趋同控制装置，应用于第一四旋翼飞行器，所述第 一四旋翼飞行器属于多四旋翼飞行器系统，所述多四旋翼飞行器系统形成的通信拓扑图包 括联合有向生成树，所述多四旋翼飞行器系统至少包括所述第一四旋翼飞行器以及第二四 旋翼飞行器集合，所述第二四旋翼飞行器集合由能够向所述第一四旋翼飞行器进行通信的 一个或多个四旋翼飞行器组成，所述第一四旋翼飞行器的动态模型包括四阶欠驱动子系统 以及二阶全驱动子系统，所述四阶欠驱动子系统包括所述第一四旋翼飞行器的水平位置状 态、翻滚角以及俯仰角，所述二阶全驱动子系统包括所述第一四旋翼飞行器的垂直位置状 态、偏航角以及地面反作用力，所述四旋翼飞行器驱动控制装置包括：接收模块，用于接收 第二四旋翼飞行器集合中各个四旋翼飞行器的位置状态信息，所述第二四旋翼飞行器集合 中各个四旋翼飞行器的位置状态信息包括水平位置状态、垂直位置状态、翻滚角、俯仰角以 及偏航角；确定模块，用于依据预先建立的所述第一四旋翼飞行器四个发动机的推力、所述 地面反作用力、所述第一四旋翼飞行器的位置状态信息的关系信息以及所述第二四旋翼飞 行器集合中各个四旋翼飞行器的位置状态信息，确定出所述第一四旋翼飞行器的四个发动 机的推力，以便使所述第一四旋翼飞行器趋向于所述第二四旋翼飞行器集合对应的第一空 间位置范围。
[0011] 在第二方面的第一种可能实现方式中，所述第一四旋翼飞行器处于飞行状态，所 述多四旋翼飞行器系统中至少一个四旋翼飞行器处于静止状态，所述确定模块包括：第一 确定单元，用于依据预先建立的所述第一四旋翼飞行器四个发动机的推力、所述地面反作 用力、所述第一四旋翼飞行器的位置状态信息的关系信息以及所述第二四旋翼飞行器集合 中各个四旋翼飞行器的位置状态信息，确定出与所述四阶欠驱动子系统对应的逐步后推控 制条件，以及与所述二阶全驱动子系统对应的滑模控制条件；第一计算单元，用于根据所 述逐步后推控制条件、所述滑模控制条件以及所述第二四旋翼飞行器集合中各个四旋翼飞 行器的位置状态信息，计算出所述第一四旋翼飞行器的四个发送机的推力，以便将所述第 一四旋翼飞行器的位置状态收敛至与所述第二四旋翼飞行器集合对应的第一空间位置范 围内。
[0012] 在第二方面的第二种可能实现方式中，所述多四旋翼飞行器中的各个四旋翼飞行 器均处于飞行状态，所述确定模块包括：第二确定单元，用于依据预先建立的所述第一四旋 翼飞行器的四个发动机的推力、所述地面反作用力、所述第一四旋翼飞行器的位置状态信 息的关系信息以及所述第二四旋翼飞行器集合中各个四旋翼飞行器的位置状态信息，确定 出与所述四阶欠驱动子系统对应的分布式滑模控制条件，以及与所述二阶全驱动子系统对 应的分布式状态反馈控制条件；第二计算单元，用于根据所述分布式滑模控制条件、所述分 布式状态反馈控制条件以所述第二四旋翼飞行器集合中各个四旋翼飞行器的位置状态信 息，计算出所述第一四旋翼飞行器的四个发送机的推力，以便将所述第一四旋翼飞行器的 位置状态牵引至所述第一空间位置范围，以及控制所述第一四旋翼飞行器的水平位置状态 收敛的误差。
[0013] 第三方面，一种四旋翼飞行器，包括如第二方面、第二方面的第一种可能实现方式 和第二方面的第二种可能实现方式中任一所述的四旋翼飞行器趋同控制装置。
[0014] 第四方面，一种多四旋翼飞行器系统，包括：如第三方面所述四旋翼飞行器。
[0015] 经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种四旋翼飞行器趋 同控制方法，依据预先建立的第一四旋翼飞行器四个发动机的推力、地面反作用力、第一四 旋翼飞行器的位置状态信息的关系信息以及第二四旋翼飞行器集合中各个四旋翼飞行器 的位置状态信息，确定出第一四旋翼飞行器的四个发动机的推力，从而使第一四旋翼飞行 器趋向于第二四旋翼飞行器集合对应的第一空间位置范围，从而实现了第一四旋翼飞行器 向第二四旋翼飞行器集合中各个四旋翼飞行器趋同的目的。
【附图说明】
[0016] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据 提供的附图获得其他的附图。
[0017] 图1为现有技术中的四旋翼飞行器的结构示意图；
[0018] 图2为本发明实施例提供一种四旋翼飞行器趋同控制方法的流程示意图；
[0019] 图3为本发明实施例中一种联合有向生成树的结构示意图；
[0020] 图4为本发明实施例提供的四旋翼飞行器趋同控制方法中第一四旋翼飞行器趋 向于第二四旋翼飞行器集合对应的第一空间位置范围的一种实现方式的方法流程示意 图；
[0021] 图5为本发明实施例提供的四旋翼飞行器趋同控制方法中第一四旋翼飞行器趋 向于第二四旋翼飞行器集合对应的第一空间位置范围的另一种实现方式的方法流程示意 图；
[0022] 图6为本发明实施例提供的一种四旋翼飞行器趋同控制装置的结构示意图；
[0023] 图7为本发明实施例提供的四旋翼飞行器趋同控制装置中的确定模块一种实现 方式的结构示意图；
[0024] 图8为本发明实施例提供的四旋翼飞行器趋同控制装置中确定模块的另一种实 现方式的结构示意图；
[0025] 图9为本发明实施例提供的多四旋翼飞行器系统中各个四旋翼飞行器的X1⑴的 状态轨迹示意图；
[0026] 图10为本发明实施例提供的多四旋翼飞行器系统中各个四旋翼飞行器的yi(t) 的状态轨迹示意图；
[0027] 图11为本发明实施例提供的的多四旋翼飞行器系统中各个四旋翼飞行器的Z1 (t) 的状态轨迹示意图；
[0028] 图12为本发明实施例中一种联合有向生成树的结构示意图；
[0029] 图13为本发明实施例提供的多四旋翼飞行器系统中各个四旋翼飞行器的X1