文摘
一个创新的框架已经开发了团队合作的两个四轴飞行器的形成,各有其指定的几何形成,分配任务和匹配的控制方案。位置控制四轴飞行器的编队已通过一个线性二次调节器实现比例积分等π)控制方案基于显式模型方案。四轴飞行器的形成是通过控制等π伺服机构控制方案。比较这两种控制方案的性能和控制工作。结构都是由各自的地面站通过虚拟领导者。四轴飞行器的编队能够跟踪期望轨迹以及徘徊在期望点选择的时间。在通信地面站之间的损失和任何四轴飞行器,相邻的四轴飞行器提供了命令数据,从地面站接收,受影响的单位。提出控制方案已经验证通过广泛使用MATLAB®/ Simulink仿真®提供有利的结果。
1。介绍
小型无人机(MUAVs)已经引起了科学界的注意从多元化背景由于其通用的应用程序和明显的优势在载人平台。这些应用程序的范围从简单的玩具在超市发现高度复杂的应用程序像海上风力发电厂监控等等1]。显著优势载人平台包括制造和运营成本要低得多,风险规避人类飞行员、飞行安全低,缓慢,和实现的操作超出人类固有的局限性。MUAVs也更环保,因为他们带来的空气污染和噪音。最近的研究关注的是使用多个廉价汽车飞在一起,同时保持所需的相对分离,有效地执行任务相比,一个过高的车辆。冗余也的单一的使命相关的车辆损失的风险。一些有趣的应用程序在这一领域包括合作抓住、交通监控、移动通信继电器、气象监测、农药喷洒。一群MUAVs也吸引很多注意力对3 d航拍地图生成(2]。无人因此无与伦比的。性能要求很高,在靠近对方。尽管实现安全操作MUAV形成挑战,实现优势证明费力的工作。MUAVs分为两大类,即固定翼和旋转翼飞机(旋翼机)。四轴飞行器是最受欢迎的旋翼机由于其灵活性,设计简单,易于施工,徘徊在所需的能力点,没有要求起飞/着陆跑道。然而,控制设计通常是更复杂的。四轴飞行器是我们本文的焦点。
编队飞行的想法的灵感来自于类似自然蜜蜂和鸟类。这种行为表现出的物种的特征是自航个人一些基本规则为他们的集体运动和并行操作。我们的控制策略也有所启发,这种自然的行为。无人机群的行为,是实现控制工程师的工作自定义规则通过适当的控制器设计所需的集体行动保持查看无人机动力学。可能会有不同的星座架构形成根据任务要求。简单的数学模型来模拟自然群体行为通常是基于规则如以下:所有人都在同一方向移动,个人仍然相当接近他们的邻居,和个人避免碰撞与他们的邻居。一些代理在一群可能优越的传感、计算,或通信能力,称为领袖(3]。然而,对于这样的配置,失去领导可能会导致崩溃的使命。因此,在我们的研究中,我们选择一个虚拟领导者战略承诺的任务的成就。在虚拟领导者的方法,形成共同的车辆合成一个,可能是虚构的,领袖的车辆轨迹作为领袖的集团(4]。注意,一个领导者可能不会有效地控制大型地层或成群;因此多领导人与网络系统可能是一定要求;例如,我们利用两个虚拟领导人提出的网络化系统。
的控制技术已经成功地用于无人机的编队飞行。这里提到的一些贡献。分布式控制方案建议(5),单位不耦合,而使独立的协同运动。无人机的一个集群作为相控阵天线(6]分布式控制策略的可行性。这里每个四轴飞行器,2 d模型中,有一个本地控制器,基于自己的状态以及状态信息的一个子集形成其他车辆。假设一个简单的几何形成本文的三个单位保持一条直线互相保持1米的距离。负载运输与多个四轴飞行器是有用的重负荷时相比,一个四轴飞行器的最大推力或要求额外的冗余安全。合作抓住和运输证明,除了执行其他惊人的行动,与一群由掌握实验室自主micro-UAVs宾夕法尼亚大学(7]。一个重要的控制设计方法模型后它需要四轴飞行器执行像一个理想模型所需的飞行品质。节指出飞行控制律设计(8)通过使用模式和命令发生器的控制方案后,利用一个特征结构配置问题跟踪器(CGT)。在[9),跟踪控制律和优化技术的结合是一个特征结构配置问题计算反馈和前馈增益矩阵。该计划申请音高控制。协调和轨迹跟踪控制设计被领导结构的多个小型旋翼机模拟(10)使用非线性协调控制与状态反馈设计。被领导的计划扩展到任意数量的单位(11),和网络动力学和可管理性的成群基于开环进行了分析规范的网络。由于焦点已在3)网络领袖对称的,受限制的情况下只有一个领袖。图论已被许多研究人员利用地层控制的领域,例如,使用有向图(12)和无人机群建模(11]。问题是制定而将图转化为拉普拉斯算子矩阵,也给一个洞察力,其特征值,通过通信拓扑结构和连接。
形成控制问题已经制定(13,14基于共识)。在[13),只有一个代理接收信息从虚拟领导者。在[14]一个时变的形成被认为是这可能是有用的旋转等场景的形成。只有一个控制输入被用于这项研究。文献[15)控制形成三个四轴飞行器的使用等方面形成本地控制器和PI控制器。然而,PI控制器参数选择的实验,采用的控制律参数的变化很敏感。假设固定的四轴飞行器的高度(14,15]。
本文的工作假设的潜在应用摄影测量,通过四轴飞行器舰队灭火。这里共识算法并不像我们期望的要求四轴飞行器舰队的轨迹跟踪我们的兴趣,而不是由代理商自己决定。对于我们现在的论文,形成中的每个代理接收来自虚拟领导者,增加了冗余的信息。每个四轴飞行器使用四个控制输入,控制器设计更详细地描述。控制方案的稳定性和适应性,跟踪性能验证的方法。同时形成跟踪轨迹不同高度。
部分这项工作已报告在我们以前的工作(16]。然而,对于本文,有额外的参考模型,驻留在四轴飞行器的贡献显式地定义四轴飞行器的性能标准,使它们像与所需的动力学模型。这里我们利用控制策略,每个四轴飞行器的控制器是基于自己的状态和位置的命令值。这种控制架构可能被认为是分散的每个代理由本地控制器控制在哪里访问代理的状态没有其他车辆之间的信息交换,定义在[6]。分散控制是利用在其他工作,如(17]。本文的主要贡献是表示一个简单的框架来控制两个四轴飞行器编队从地面站利用网络虚拟领导者的概念,所以损失的领导人不影响任务的成就。我们已经努力调整两种控制方案,即线性二次调节器比例积分(等π)后基于显式模型和等π伺服机构控制两个四轴飞行器编队。在这里我们只考虑四轴飞行器的全状态向量跟踪感兴趣的输出(输出)性能。实现这个简单、适应性和健壮的计划来控制四轴飞行器编队从地面站在文献中未见,按作者的知识。两个控制方案也比较的性能。等PI控制方案基于模型后,甚至还可能使用一些关键飞行阶段,像自动闪光控制平稳降落,模型规定所需的轨迹。
进一步的描述,本文分为四个部分。提出了部分建议方案的体系结构2。这个问题制定节中给出3。仿真结果和分析报告4。是得出最后结论和未来的工作设想5。
2。体系结构
完整的框架来控制集群的四轴飞行器编队任务成就提出了部分。的目标,作为一个例子,一直在准备灭火区域使用两个四轴飞行器编队,喷洒液体的定义角色和地面站发送实时数据,分别。主要组成部分包括地面站、任务计划,虚拟领导者(或虚拟参考点)四轴飞行器与盟军设备(灭火器或摄像头)。互联的架构图所示1。
我们考虑两种形态组成三个和四个四轴飞行器平行四边形和三角形的几何形状,分别。平行四边形形状选择最大区域覆盖,虽然任意形状和这个计划是可能的。安排可能被认为是集群的形成。从现在起,我们将调用三角形的形成形成1和形成平行四边形形成2。代理在形成1编号为1 - 3和形成标记为4 - 7如图21,3,4。1是用来形成空中stereo-photography或摄像向地面站发送实时数据1。虽然两个四轴飞行器可以达到目的,第三单元形成1中添加冗余的目的。形成2中的四个四轴飞行器配有灭火器喷射的液体火灾面积。这形成了部分4,使正弦运动X- - - - - -Y飞机以及喷洒液体的最大区域。每个形成均匀的特工在形成在结构上是相同的。的插图场景如图2。
每个地面站包含一个任务计划的角色是定义任务导航腿为了扫描感兴趣的区域。跟踪命令组成的3 d位置。参考信号注入从地面站四轴飞行器在各自的形成。这些代理的形成可能是跟随虚拟领导者。代理需要维护定制分离从各自的虚拟领导者。代理之间的最小距离是要考虑避免碰撞和空气动力相互作用。两个地面站吩咐高度信息共享,以确保安全的高度形成之间的分离。这些电台也作为备用,以防故障的单元,因此不断交换状态信息。因此,它可以被视为一个系统的两个亚群系。整个方案已经使用MATLAB / Simulink仿真模拟。 Simulation results are presented in Section4。
3所示。问题公式化
在本文中,我们假定直接流向代理的信息。通信拓扑的形成是如图3和4分别在每个节点(或顶点)代表了四轴飞行器和每条边显示了通信链路。每个代理从地面站接收命令值跟随虚拟领导者(重要)。此外,其中一个代理是多余地提供数据,从地面站接收,到邻近的代理来处理个人通信链路故障。然而,在一个瞬间,只有信号从虚拟领导者或邻近单位利用控制方案。
社区定义的代理或者拓扑距离的度量距离。社区基于度量规则可以定义如下。
定义1。一个节点一个邻居节点如果规范的位移矢量两个节点之间的不足。数学上, 在哪里是媒体沟通的范围。另一方面,拓扑距离模型依赖周围的代理直接邻居无论他们的距离。交互是基于拓扑规则,而不是度量规则。在这项研究中,我们使用社区基于度量规则的概念。
3.1。四轴飞行器动力学模型
四轴飞行器有两双转子cross-configuration可以在不同角速度旋转实现旋转、平移运动。详细的四轴飞行器运动动力学描述的出版物,例如,(16]。为了简便起见,这里不重复。四轴飞行器运动动态图的帮助下5。
四轴飞行器动力学建模根据以下方程[18]: 在这里显示四个螺旋桨所产生的总推力,产生的力是由于转子的旋转,是一个常数,电动机的角速度是吗,四轴飞行器是质量,引力常数。,,代表偏航控制输入,投手,和旋转力矩。上述系统(2)线性化和相应的线性定常(LTI)中给出的四轴飞行器模型19)是用于本文。对线性化和纵倾点细节可能被在19在这里,不包括简洁。考虑四轴飞行器系统有四个输入,十二个州和六个输出。我们的状态向量组成。它代表了3 d的四轴飞行器质心的位置- - - - - -,- - - - - -,方向相对于固地框架偏航角和欧拉角命名在设在螺旋角在设在,横摇角在分别设在与衍生品表示时间点()开销。输出向量和性能输出向量。我们控制向量是 对应于油门输入、偏航、俯仰、旋转力矩,分别。我们假设四轴飞行器的质量(包括外围设备)形成1是2公斤,每个单元的形成2是3公斤。一样的质量微无人机是0.1 - -0.5公斤20.),因此引入了一个新的MUAV缩略词在本文引用迷你无人机。
3.2。形成动态模型
所需的参考模型,动态定义为一个线性时不变系统,如下: 后缀代表了参考模型将代表追随者四轴飞行器的植物。系统(4),参考模型和状态吗从地面站是外部的命令值。计划实现的观点,这可能被认为是来自虚拟领导者。参考模型的性能输出向量。参考模型状态空间矩阵相应的尺寸。参考模型表现出稳定的动力学,其状态矩阵需要赫维茨;也就是说,所有的特征值有严格的负实部。
四轴飞行器植物动力学描述如下: 在这里是四轴飞行器的状态,是控制向量,是四轴飞行器的性能输出向量(21]。在这里和显示输出的数量和控制输入的数量Ų,分别。的矩阵相应的尺寸。使用这种方案,最大可追踪输出数量不得超过数量的控制输入四轴飞行器(4例)。假设矩阵积和状态向量和可用的用于制定控制信号Ų四轴飞行器。
控制器设计之前,我们首先做的可控制性检查四轴飞行器使用可控性矩阵并找到完整的排名。一个参考模型形成2中驻留在每个代理定义理想的输出响应是紧随其后的是代理。参考模型的所有闭环极点可能分配到所需的位置通过极点配置方法。虽然参考模型动态操纵通过极点配置方法,同样可以通过其他控制方案实现,例如,等。参考模型形成2接收到一个已知的有界的命令从各自的地面站,可能会或可能不会随时间。我们主要是想确定的控制输入Ų的四轴飞行器所需的3 d几何形成,由相对距离向量是维护。为此,一个等控制器PI反馈连接(21四轴飞行器)实现。在等方案的设计目标是通过定义的和矩阵。一个半正定矩阵,矩阵表明,weightage(或重要性)。矩阵,正定矩阵,表示weightage控制工作相应的控制输入。控制器可以通过改变元素和矩阵来实现一个理想的响应。一个高效等方面控制方案是基于找到合适的权重因素。模型等方面后PI控制方案中给出(21)已经利用了我们目前的学习和适应控制四轴飞行器编队从地面站通过虚拟领导者。开环四轴飞行器的动力学和参考模型,从(5)和(4),可以制定 方程(6可以写的更简洁 现在跟踪误差,从(4)和(5),可以写成 或 我们的目标是找到这样的Ų跟踪误差的渐近趋于零的任何已知的,有限的,甚至是时变的命令。为了跟踪阶跃输入命令,积分控制应用。集成的跟踪误差可以表示为 方程(7),(9)和(10)可以合并 简明地写成
3.3。控制策略
它假定外部命令是一个阶跃输入的命令与零错误。我们现在区分(12)关于时间和引入新的变量和的收益率 我们这里假设代理的完整状态的知识是用于实现等方面PI控制器,用来控制的开环动态(13)。我们使用的控制输入尽量减少成本等方面。成本函数可以定义为 在这里和是等权重矩阵。现在我们解决代数黎卡提微分方程(是) 得到解决方案用于计算等增益矩阵作为 增益矩阵是下面的形式: 这里下标表示增益(比例或积分)的类型和上标显示这个增益矩阵的变量。现在 积分(18)和忽视积分常数,等π四轴飞行器的控制解决方案形成2给出 等PI控制方案保证完美的跟踪(16,22]。虽然我们的推导是基于一步参考命令,生成的控制系统提供了良好的时间响应指令信号任意引用(22),将显示在模拟部分。这个命令生成器能够处理广泛的运动轨迹,包括位置单位阶跃命令,单位斜坡命令,和振荡命令(23]。图6显示等方面的互连图PI控制方案基于模型架构。这里的参考模型作为一个命令预滤器和四轴飞行器顺利跟踪参考模型的输出。参考模型和跟随者四轴飞行器动力学是由(4)和(5),分别。
在某些情况下,我们不可能想要消除命令通过一个参考模型,而是直接听从命令。为此,修改版本的方案如图6可能被利用,被称为等π伺服机构。这可能是通过设置,,零矩阵和为单位矩阵。然后(4)的收益率。框图显示互连图中给出了控制方案7。我们需要考虑一个系统基于等π伺服机构方案可控只要以下条件为真(排名21]: 我们测试了秩条件情况下,它是16,完整的排名。然而,排名情况也意味着最大数量的调节输出的数量不得超过系统控制输入(4在四轴飞行器的情况下)。
4所示。仿真结果和分析
4.1。控制方案的比较
两种类型的命令跟踪方案实现:等PI控制方案基于参考模型后很顺利,跟踪命令等π伺服机构跟踪快速命令。我们利用方案两个形态来满足各自的任务要求。形成1是通过管理等π伺服机构控制方案,这表明快速反应在高成本的控制工作。这迫使代理遵循所需的轨迹积极根据任务的要求,例如,摄影测量。然而,对于形成2我们光滑的运动非常感兴趣所以我们实现等方面PI控制方案基于参考模型。控制努力的控制方案进行了仿真比较,在MATLAB环境和情节图所示8。跟踪性能两个控制方案是显示在图9。为了比较和清晰的情节,只有两个代理,分别来自地层,得到相同的跟踪命令被认为是在这里。
4.2。轨迹跟踪性能
从安全的角度来看,大多数的提议算法需要模拟实际航班可能之前进行。模拟有助于验证算法的有效性。上面定义的两种类型的控制方案在MATLAB / Simulink中实现。整个灭火任务分为两个阶段。在阶段1代理加入形成所需的几何形成(例如,三角形或平行四边形),而在第二阶段代理从地面站通过遵循轨迹的吩咐任务计划。
吩咐相对分离向量代理定义为,形成1,,,而在形成2,,,对各自的虚拟领导人。在第一阶段,特工离开他们最初的任意点以形成所需的几何形式。仿真结果对这种效应形成2图所示10。
介绍了跟踪参考价值四轴飞行器从网络运营商。仿真结果为两个编队3 d视图如图11。初始和最终的代理和相应的虚拟领导人(或引用)也显示表示运动的方向。从故事情节,很明显,跟踪参考模型的输出是相当顺利,形成2中的代理,同时保持所需的相互分离。形成1中的代理积极遵循跟踪命令。
现在的跟踪性能是证明为正弦命令以覆盖最大区域代理商下面携带灭火器。结果这种效果如图所示12。然而,对于这样的命令,获得了理想的跟踪(相同频率)如果变化率闭环系统带宽内的命令信号(21]。虽然我们得到正弦输出但不同的振幅和相位由系统传递函数的大小决定的。期望的振幅可以通过使用一个合适的precompensator。因此,控制方案能够变量设定值跟踪。等PI控制方案基于模型相当强劲的对不同类型的可能的扰动后如图所示在我们之前的研究16]。然而,为了简洁和清晰的情节,干扰不研究。
我们现在做的四轴飞行器悬停在所需的位置指定的时间。图13显示形成2在悬停模式在时间范围内,代理人保持水平位置。
进行进一步的数据比较,两个编队指挥跟踪相同的轨迹,同时保持各自形成几何图形和坚持各自的控制方案。仿真结果为-安置形成代理绘制在图14强调的可伸缩的属性形成控制系统。
5。结论和未来的工作
位置控制器有两个形成是使用控制方案等方面实现基于模型后,等ππ伺服机构。这些控制方案比较的值收敛到期望的跟踪和控制工作。等π模型跟随控制器表现良好的瞬态响应和展品没有超调,而等π伺服机构反应更快的命令,但高成本的控制工作。与这两种控制方案,四轴飞行器编队能够跟踪期望轨迹,同时保持定义相对三维分离。广泛的模拟证明疗效的提议方案同时给予不错的效果。建议的体系结构具有可扩展性,可以很容易扩展。虚拟领导者的概念允许将该计划强劲的反对任何节点故障。负载的信息(命令值)从地面站代理相当低,因为只有位置信息传播从地面站四轴飞行器。工作范围的通信媒体需要考虑决定地面站之间的最大距离和四轴飞行器的形成。
控制方法给出的两个航班是简单的从实现的角度形成。然而,它需要知道准确的动力学模型和飞行器的状态。很费劲的模型旋翼机飞行动力学密切形成,自适应和鲁棒控制技术,像等π,可能开发他们的潜能。先进的设计可以实现同时引入网络动力学是一个新的研究领域。
集群重新配置代理改变几何形成任意形状在飞行过程中也可能是在一个有效而简单的方法使用方案和设想为后续工作。一个合适的避碰机理也可能引入安全操作。未来工作,提出方案可以实现实时使用编队飞行测试设置发达航空信息技术研究所,维尔茨堡大学(24]。
相互竞争的利益
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作是由巴基斯坦高等教育委员会(HEC)和德国(德意志)学术交流服务,德国。这个刊物是支持的开放获取出版基金维尔茨堡大学的。作者还要感谢Zeeshan艾哈迈德博士(美国杰克逊实验室)和马库斯·巴特尔(名城汉堡哈尔堡科技大学)首次审查和风格上的改进。