本發(fā)明屬于微小型無人機集群協(xié)同控制，具體涉及一種微小型多旋翼無人機集群協(xié)同控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、無人機是指利用無線電遙控設(shè)備、自備的程序控制裝置或者由機載計算機完全地、間歇地自主操作的不載人飛機。隨著無人機功能的不斷發(fā)展，其無人化、智能化、低成本等優(yōu)勢，使得無人機在多個領(lǐng)域大顯身手。同時，無人機的任務(wù)也逐漸多樣化和復(fù)雜化，從低級使用逐步進化為高階運用，從單體轉(zhuǎn)向多機編隊協(xié)同任務(wù)，愈發(fā)體現(xiàn)出其任務(wù)完成率較高、任務(wù)完成速度較快、信息感知量較大等優(yōu)勢。而對于這些協(xié)同任務(wù)而言，無人機的自主軌跡規(guī)劃能力和協(xié)同飛行能力是無人機協(xié)同控制系統(tǒng)能夠完成飛行任務(wù)的必要條件。

2、文獻(crazyswarm:a?large?nano-quadcopter?swarm[c]//2017ieeeinternational?conference?on?robotics?and?automation(icra).ieee,2017:3299-3304.)設(shè)計的crazyflie四旋翼無人機平臺是當(dāng)今使用較為廣泛的一款四旋翼多機協(xié)同控制平臺。該平臺使用尺寸小、重量輕的超輕型四旋翼無人機，使用自主研發(fā)的飛控與通信系統(tǒng)，為各類無人機控制實驗提供了上位機接口，能夠較好滿足實驗需求。但由于無人機的體積小而引發(fā)的動力儲備不足、續(xù)航時間較短、大機動飛行動作受限、平臺延展性不良等問題也對相關(guān)實驗產(chǎn)生了巨大的限制，導(dǎo)致平臺在協(xié)同控制上的擴展性較差。

3、文獻(fast,autonomous?flight?in?gps-denied?and?cluttered?environments[j].journal?of?field?robotics,2018,35(1):101-120.)設(shè)計的fla-quad平臺具備豐富的傳感器資源和較高的算力，擁有較好的擴展性，同時具有較高的載重能力。但該平臺尺寸和質(zhì)量過大，推重比較低，無法完成大機動飛行任務(wù)，室內(nèi)飛行實驗危險系數(shù)較高。此外，該平臺并未提供可靠的多機通信功能，難以實現(xiàn)穩(wěn)定的大規(guī)模多機協(xié)同控制。

4、文獻(agilicious:open-source?and?open-hardware?agile?quadrotor?forvision-based?flight[j].science?robotics,2022,7(67):eabl6259.)提出的agilicious平臺采用了穿越機方案，使用中型尺寸機架并結(jié)合自研飛控與四合一電調(diào)形成飛塔，以減小空間占用。該平臺有著較高的飛行機動能力，其搭載的機載電腦也提供了較高的算力資源，但單機成本過高，不適用于需要大規(guī)模部署的協(xié)同控制實驗，亦無可靠的多機通信功能提供通信保障。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為解決基于現(xiàn)有平臺的控制系統(tǒng)無法提供可靠的多機通信功能以及無法實現(xiàn)穩(wěn)定的大規(guī)模多機協(xié)同控制的問題，而提出了一種微小型多旋翼無人機集群協(xié)同控制系統(tǒng)。

2、本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是：一種微小型多旋翼無人機集群協(xié)同控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括微小型多旋翼無人機協(xié)同模塊、通信模塊和多功能地面模塊，且多功能地面模塊內(nèi)包括第二代機器人操作單元、無人機位姿獲取單元、期望指令獲取單元和交互單元，其中：

3、所述微小型多旋翼無人機協(xié)同模塊用于獲取各個微小型多旋翼無人機的傳感器數(shù)據(jù)，并將獲取的傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給通信模塊；

4、所述通信模塊將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給第二代機器人操作單元；

5、無人機位姿獲取單元用于獲取各個微小型多旋翼無人機的位姿數(shù)據(jù)，并將獲取的位姿數(shù)據(jù)發(fā)送給第二代機器人操作單元；

6、第二代機器人操作單元將包含無人機傳感器和位姿數(shù)據(jù)的狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給期望指令獲取單元和交互單元；

7、交互單元用于根據(jù)接收的無人機狀態(tài)數(shù)據(jù)輸出控制指令，并將控制指令發(fā)送給第二代機器人操作單元；

8、期望指令獲取單元用于根據(jù)接收的無人機狀態(tài)數(shù)據(jù)輸出期望指令，并將期望指令發(fā)送給第二代機器人操作單元；

9、第二代機器人操作單元將控制指令和期望指令發(fā)送給通信模塊，通信模塊將控制指令和期望指令發(fā)送給微小型多旋翼無人機協(xié)同模塊；

10、微小型多旋翼無人機協(xié)同模塊用于根據(jù)接收的控制指令、期望指令和各微小型多旋翼無人機間的通信關(guān)系進行任務(wù)規(guī)劃和軌跡規(guī)劃。

11、進一步地，所述微小型多旋翼無人機設(shè)計了pcb一體式機身，在機身的制備材料中加入了復(fù)合pla材料，在電機與傳感器之間設(shè)置有軟性橡膠，電機的驅(qū)動系統(tǒng)基于單通道下橋臂設(shè)計。

12、進一步地，所述微小型多旋翼無人機上設(shè)置有imu、指南針、氣壓傳感器、激光定高傳感器和光流傳感器。

13、進一步地，所述微小型多旋翼無人機協(xié)同模塊基于無人機飛控核心進行任務(wù)規(guī)劃和軌跡規(guī)劃，無人機飛控核心以stm32f405作為處理器。

14、進一步地，所述微小型多旋翼無人機上還設(shè)置有存儲器，所述存儲器包括fm25v01fram存儲器和mkdv4gcl?sd?nand存儲器，fm25v01?fram存儲器和mkdv4gcl?sdnand存儲器用于存儲無人機飛行參數(shù)、飛行日志和自定義腳本文件；

15、無人機飛控核心、存儲器和傳感器數(shù)據(jù)采用i2c或spi總線與通信模塊進行通信。

16、進一步地，所述微小型多旋翼無人機的電源部分采用多級管理方案，即支持寬壓輸入，交錯分離不同區(qū)間的電源域。

17、進一步地，所述通信模塊包括天空端、地面端和路由端；

18、天空端用于接收多旋翼無人機的傳感器數(shù)據(jù)，并將傳感器數(shù)據(jù)通過udp廣播至指定端口，再經(jīng)過iot設(shè)備完成天空端與地面端的通信；

19、通過地面端將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給第二代機器人操作單元；

20、路由端用于管理多旋翼無人機和多功能地面模塊的局域網(wǎng)連接。

21、進一步地，所述無人機位姿獲取單元的工作過程為：

22、以任意一架微小型多旋翼無人機為例

23、步驟1、將微小型多旋翼無人機的初始位置記為t0，將微小型多旋翼無人機初始的標(biāo)識點排列方式記為p＝{p1,p2,p3,....,pn}，其中，p1,p2,p3,....,pn是微小型多旋翼無人機上各標(biāo)識點的位置，n是標(biāo)識點個數(shù)，采用迭代最近點算法，并結(jié)合t0和p確定出微小型多旋翼無人機的初始位姿r0；

24、步驟2、將初始位置的圖像作為第一幀圖像，則微小型多旋翼無人機運動后，將第二幀圖像中標(biāo)識點排列方式記為q＝{q1,q2,q3,....,qn}，q1,q2,q3,....,qn是微小型多旋翼無人機上各標(biāo)識點在第二幀圖像中的位置，根據(jù)p＝{p1,p2,p3,....,pn}和q＝{q1,q2,q3,....,qn}計算第二幀圖像中的微小型多旋翼無人機相當(dāng)于第一幀圖像中的微小型多旋翼無人機的旋轉(zhuǎn)矩陣r和平移矩陣t；

25、步驟3、根據(jù)初始位姿r0、旋轉(zhuǎn)矩陣r和平移矩陣t獲得微小型多旋翼無人機在第二幀圖像中的位姿。

26、進一步地，所述步驟2的具體過程為：

27、步驟21、建立目標(biāo)函數(shù)其中，||·||是l2范數(shù)；

28、步驟22、分別計算p和q的質(zhì)心：

29、

30、其中，μp是p的質(zhì)心，μq是q的質(zhì)心；

31、步驟23、分別計算p中每個元素與質(zhì)心μp的差，分別計算q中每個元素與質(zhì)心μq的差：

32、p'＝{p1-μp,p2-μp,p3-μp,…,pn-μp}＝{p1',p'2,p'3,…,p'n}

33、q'＝{q1-μq,q2-μq,q3-μq,…,qn-μq}＝{q1',q'2,q'3,…,q'n}

34、根據(jù)p'和q'對步驟21的目標(biāo)函數(shù)進行簡化：

35、

36、定義矩陣u是對w進行奇異值分解得到的左奇異矩陣，v是對w進行奇異值分解得到的右奇異矩陣，λ是由奇異值組成的對角矩陣，上角標(biāo)t代表矩陣的轉(zhuǎn)置；

37、求得：

38、r*＝uvt

39、r*即為計算出的旋轉(zhuǎn)矩陣r，再根據(jù)r計算t*：

40、t*＝μq-rμp

41、t*即為計算出的平移矩陣t。

42、更進一步地，所述任務(wù)規(guī)劃和軌跡規(guī)劃描述為：

43、min?f(p)

44、

45、其中，f(p)為目標(biāo)函數(shù)，aeq和beq是等式約束，aieq和bieq是不等式約束，p是無人機的運動軌跡。

46、本發(fā)明的有益效果是：

47、本發(fā)明對多旋翼無人機單體進行了結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計，提出了小尺寸、低重量、長續(xù)航的設(shè)計方案，以滿足多旋翼無人機協(xié)同控制的要求。多功能地面模塊用于實現(xiàn)全局的定位/定姿算法，為集中/分布式的任務(wù)規(guī)劃、運動規(guī)劃和集群控制等任務(wù)提供數(shù)據(jù)接口，同時具備人機交互、虛擬現(xiàn)實交互等功能；分布式協(xié)同控制/規(guī)劃方法則為系統(tǒng)實現(xiàn)的核心，規(guī)劃方法一般嵌入在期望指令獲取模塊中，控制方法則可以部署在多旋翼無人機協(xié)同模塊的飛控軟件和多功能地面模塊的交互單元中，實現(xiàn)對多旋翼無人機的運動控制。自主設(shè)計的大規(guī)模自適應(yīng)通信軟件用于無人機集群與通信工作，完成多功能地面模塊與多旋翼無人機間的上下行數(shù)據(jù)交互，傳輸穩(wěn)定且延遲短；多旋翼無人機飛控軟件實現(xiàn)多旋翼無人機平臺軟件通信、多傳感器融合導(dǎo)航、簡單任務(wù)執(zhí)行、高性能位置/姿態(tài)控制和數(shù)據(jù)存儲等功能，保證無人機系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行并順利執(zhí)行多功能地面模塊的指令。

48、本發(fā)明設(shè)計的微小型多旋翼協(xié)同控制系統(tǒng)擁有更好、更穩(wěn)定的控制性能和更低的成本，且使用更為便利。系統(tǒng)具有豐富的協(xié)同控制、導(dǎo)航、規(guī)劃接口，可利用本發(fā)明的系統(tǒng)對部署的協(xié)同算法進行快速驗證。