CN113359866B - 一种分布式多栖球形无人系统的协同控制架构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多机协同控制技术领域，涉及一种分布式多栖球形无人系统的协同控制架构，包括策略知识库、客户端、决策管理模块和执行模块；所述策略知识库，用于提供所述无人系统的任务场景和任务策略；所述决策管理模块包括监控管理单元和全局状态机，所述监控管理单元用于监控管理所述多个无人机并收集每个无人机的飞行信息，并打包发送给全局状态机；所述全局状态机用于判定无人系统的当前状态是否具备执行期望任务，从而选择是否继续执行当前任务，还是执行期望任务并在所述策略知识库中寻找期望任务对应的策略，发送给监控管理单元；所述监控管理单元根据该策略对各无人机进行任务分配和规划并生成带有标识的任务指令，发送至所述执行模块。

Description

一种分布式多栖球形无人系统的协同控制架构

技术领域

本发明涉及多机协同控制技术领域，尤其涉及一种分布式多栖球形无人系统的协同控制架构。

背景技术

近年来，多旋翼无人机发展迅速，其结构简单、易于操作，起降灵活的特点让其在军用和民用领域中都有广阔的发展空间。然而，随着应用场合的多样化与任务目标的复杂化，对无人系统适应地形的能力、多机协同的能力以及续航能力提出了更高的要求。中国专利CN110171260A公开了一种环境信息采集空陆两栖球形机器人，其在四旋翼外侧加装一个类球形的外框，使四旋翼可以在地面上滚动，实现路空两栖的功能。但是该机器人在地面上只能朝指定方向运动，不具备球形机器人全方向运动的能力；外框整体呈球形，虽然一定程度上具有侧翻后恢复的能力，但框架间隙较大，容易卡在特殊的地形之中，特殊地形的适应能力较差。

针对多栖无人系统功能局限性大的问题，世界各地研究出了大量多栖无人创新移动平台，有的平台采用固定翼式结构，但采用固定翼式结构的飞行器需要很长的滑跑才能起飞；有的利用旋翼机原理飞行的多栖移动平台，虽具备垂直起降等优点，但是裸露的螺旋桨会对周围物体构成很大的威胁。这些平台在安全性或是工作空间上都存在构型单一、孤立工作、功能局限性大的问题；而针对球形机器人的研究一方面很少考虑到拓展其多栖的性质，另一方面多采取重力矩驱动的方案，该方案将球体的三个自由度耦合在一起，同样存在构型单一、功能局限性大的问题。

发明内容

为了克服现有多栖无人系统功能局限性大的问题，本发明首先提供了一种具备空中集群飞行模态和地面滚动模态两种结构方式的无人系统，其由多片单独的旋翼驱动模块组成，每块具备独立在空中执行任务的能力；同时它们可相互连结成类球形，使无人系统在地面上可以表征出类球体的运动特性。该分布式多栖球形无人系统在地空不同环境下都具有较优的构型，尤其在地面的类球体构型，使其能够适应复杂环境。进一步，针对此分布式多栖球形无人系统，本发明设计了一种由策略知识库、客户端、决策管理模块和执行模块组成的协同控制架构，使分布式多栖球形无人系统能够较好的应对各种复杂环境和任务，便于后续针对飞行模态或地面滚动模态的改进控制方法的接入。

为实现上述目的，本发明提供了一种分布式多栖球形无人系统的协同控制架构，所述无人系统包括多个无人机，每个无人机相当于柏拉图立体结构中正多面体的一面，所述多个无人机能够组合成类球体结构；所述无人系统包括工作模态：飞行模态和地面滚动模态；所述协同控制架构包括策略知识库、客户端、决策管理模块和执行模块；

所述策略知识库，用于提供所述无人系统在工作模态和工作模态转换下的任务场景，以及所述任务场景的任务策略；所述客户端用于向所述决策管理模块输入用户的期望任务；

所述决策管理模块包括监控管理单元和全局状态机，所述监控管理单元用于监控管理所述多个无人机并收集每个无人机的飞行信息，并将所有飞行信息打包发送给所述全局状态机；所述全局状态机用于基于接收的飞行信息和期望任务，判定所述无人系统的当前状态是否具备执行期望任务，从而选择是否继续执行当前任务，还是执行期望任务并在所述策略知识库中寻找期望任务对应的策略，发送给所述监控管理单元；所述监控管理单元根据该策略对各无人机进行任务分配和规划并生成带有标识的任务指令，发送至所述执行模块；

所述执行模块包括多个执行单元，每个执行单元对应一个无人机；各执行单元用于根据标识认领该执行单元对应无人机的任务指令，并根据该任务指令对对应无人机进行控制；同时将对应无人机的当前飞行信息反馈到所述监控管理单元。

进一步，所述任务场景包括：飞行模态下执行航迹追踪的任务场景、地面滚动模态下对响应快速性要求高且仅对各无人机姿态有要求的任务场景、飞行模态和地面滚动模态两种模态转换过程中执行大机动动作的任务场景。

进一步，在地面滚动模态的任务场景下，所述多个无人机组合成类球体，采用力矩驱动的方式推动类球体转动和前进；设定类球体在地面滚动场景下的相对位置固定，位于竖直平面内的无人机负责提供类球体的偏航转动力矩；位于竖直平面内的无人机负责提供俯仰力矩使类球体前进，由此将类球体运动解耦到直线位移和转动两个方向上；假设路上无障碍，将类球体运动拆解为方向转动和前进两个阶段；

所述地面滚动模态的任务场景的任务策略包括：首先，根据类球体和地面的摩擦系数以及目标距离计算出期望转动力矩；其次，对每个无人机的执行单元发回的位置、姿态信息做融合处理，得到类球体当前相对于球体坐标系的位姿变化，并计算出每个无人机相对于球体坐标系的转换矩阵；最后，所述监控管理单元将期望转动力矩根据每个无人机的转换矩阵平均分配到每个无人机上，以保证每个无人机的动力资源相对平均。

进一步，所述地面滚动模态的任务场景的任务策略还包括：对类球体的运动状态进行预估获得预估结果，所述监控管理单元将预估结果发送至各执行单元，各执行单元将预估结果作为前馈项对对应无人机进行控制。

进一步，假设各无人机具备高机动性能并按1,2,…,n对所述多个无人机进行编号，n为所述多个无人机的数量；飞行模态和地面滚动模态两种工作模态转换下的任务场景的任务策略包括：

飞行模态转换为地面滚动模态的任务场景的任务策略：

1）1号无人机经过事先对地面的观测和判断，选择最优区域降落，并做机动180°反转，待1号无人机的飞行状态稳定后，其执行单元发送信息至所述监控管理单元；

2）所述监控管理单元根据收到的1号无人机的信息规划2至n-1号无人机的连接方位并规划其中每个无人机的机动轨迹，生成任务指令并发送到对应无人机；2至n-1号无人机接收任务指令后控制各自的连接机构作动，在1号无人机周围围成一圈，拼接形成具有缺口的类球体；

3）拼接的n-1个无人机分别调整自身姿态，确保类球体缺口朝上，n号无人机平稳降落，利用其连接机构完成与类球体缺口的拼接；

地面滚动模态转换为飞行模态的任务场景的任务策略：

位于类球体正上方的无人机首先起飞，之后剩余无人机沿着球体坐标系Z轴方向施加一个大的推力散开，散开后每个无人机分别进行位姿调整，实现起飞。

进一步，所述任务指令包括判定指令和控制指令，所述判定指令用于指示任务场景的类别，所述控制指令用于控制所述无人系统执行相应任务场景的任务策略。

进一步，各执行单元包括外环控制器、内环控制器、油门控制器和切换开关模块；所述外环控制器为所述内环控制器的上级控制器；所述内环控制器分别为所述外环控制器和所述油门控制器的下级控制器和上级控制器；所述油门控制器为所述内环控制器的下级控制器；

所述外环控制器用于接收用于控制相应无人机执行飞行模态下任务场景的任务策略的控制指令，输出期望姿态；所述内环控制器用于接收所述外环控制器输出的期望姿态或接收用于控制相应无人机执行地面滚动模态下任务场景的任务策略的控制指令，输出期望油门；所述油门控制器用于接收所述内环控制器输出的期望油门或接收用于控制相应无人机执行两种模态转换下任务场景的任务策略的控制指令，输出PWM油门信号，以驱动相应无人机执行期望的飞行动作；所述切换开关模块用于根据判定指令选择将控制指令输入外环控制器、内环控制器或油门控制器，或者选择将上级控制器输出接入其对应的下级控制器。

本发明的有益效果：

1）本发明针对飞行模态和地面模态的切换，设计了一种基于工程学思想及试验经验的控制实现策略，理论上解决了本发明特殊的分布式多栖球形无人系统的转换问题；

2）本发明针对分布式多栖球形无人系统的地面滚动需求，设计了基于力矩的分布式摩擦驱动控制策略，并且引入模型预测结果作为前馈校正项，从而能够驱动球体实现二维平面内的自由运动；

3）本发明的分布式多栖球形无人系统中，每个无人机都具有单独的执行单元，在集群飞行和组合模态下不会因为某个无人机功能丧失而影响其他无人机的运行，增强了群体的稳定性；

4）本发明的分布式多栖球形无人系统提高了无人系统的环境适应能力和任务适应能力。

附图说明

图1是本发明实施例的分布式多栖球形无人系统的地面滚动模态示意图；

图2是本发明实施例的单个无人机的俯视示意图；

图3是本发明实施例的单个无人机的仰视示意图；

图4是本发明实施例的单个无人机的结构分解图；

图5是本发明实施例的旋翼机构示意图；

图6是本发明实施例的分布式多栖球形无人系统的协同控制架构图；

图7是本发明实施例的飞行模态到地面滚动模态转换示意图；

图8是本发明实施例的地面站与无人机间通信关系示意图；

图9是本发明实施例的执行单元控制器航点跟踪响应曲线图；

图10是本发明实施例的执行单元结构图；

图11是本发明实施例的地面滚动模态下个体无人机分布示意图；

图12是本发明实施例的地面滚动模态控制器位置跟踪响应曲线图；

图13是本发明实施例的地面滚动模态多目标跟踪曲线图；

图14是本发明实施例的地面滚动模态多目标跟踪示意图。

具体实施方式

本发明的分布式多栖球形无人系统包括可以连接组合成类球体的多个无人机，每个无人机相当于柏拉图立体结构中正多面体的一面，且正多面体每一个面均相同，故单体的无人机外形可以完全相同，按照模块化的思想设计，连接时没有先后顺序与朝向限制，可替代性强，增强了适应各种突发状况的能力。

下面结合附图和实施例进一步描述本发明，应该理解，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。在本实施例中，分布式多栖球形无人系统包括六个四旋翼无人机，各无人机相当于正六面体的一面。应该理解，除使用本实施例的六个无人机组成滚动模态以外，如图1所示，还可以仿照其他柏拉图立体结构形式，例如用四个无人机、八个无人机、十二个无人机、二十个无人机构成滚动模态。但是，需要注意的是，在无人机内部硬件大小不变的情况下，使用数量更多的无人机的组合方式会使得组合成的球体尺寸增大，不利于滚动模态下的隐蔽，且环境适应能力降低。

如图2-5所示，本实施例中各无人机为旋翼无人机，包括保形外框1、防水壳体2、支架3、旋翼机构4、多个磁吸连接件5和控制单元6。

保形外框1为内接球体正六面体中一面且成球面结构。有利地，保形外框1的横截面为翼型形状，可以在提供外形支撑的同时尽量减少对气流的阻碍作用。

防水壳体2整体呈内接球体正六面体中一面结构，包括上壳体21和下壳体22。上壳体21的外形与保形外框1相似并且通过螺钉固连于保形外框1凹面侧。有利地，将保形外框1固连于防水壳体2之上，可以使无人系统在滚动模态下保持球体的外形。下壳体22与上壳体21通过螺钉固连且两者之间设置防水垫圈23，形成四周密封的防水腔与四个涵道，每个涵道内侧预留有使支架3通过的开口。有利地，防水壳体2形成防水腔，不仅可以密封包裹控制单元6等需要防水的载荷，同时形成的空腔可以在水中模态时提供浮力，使无人机能够漂浮在水面上；形成涵道，可以增强旋翼产生的动力并适当减少噪音。优选地，将防水腔的排水量大小设为无人机自身重量的两倍以上。

对应于四旋翼无人机，本实施例的支架3为十字对称结构，包括安装在防水腔内的主体部31，以及从主体部31沿径向穿过防水腔并通过涵道内侧的开口分别延伸入四个涵道的四个支架臂32。旋翼机构4由四旋翼组成，如图5所示，各旋翼包括桨叶41、桨盘机构42、防水电机43和防水舵机44，防水电机43安装于支架臂32的自由端且位于涵道的中心；桨叶41与防水电机43输出轴顶端转动连接，桨盘机构42与防水电机43输出轴滑动连接且位于桨叶41和防水电机43之间；防水舵机44与桨盘机构42连接，以驱动桨盘机构42沿着防水电机43输出轴上下滑动以改变桨叶41的迎角，从而改变桨距，以便能够在无人机翻倒时变换升力方向，使无人机自主恢复到正常状态。

在另外的实时方式中，可以根据需要采用单旋翼、共轴双旋翼、三旋翼等作为动力驱动，并且为了实现姿态的完全控制，采用这些驱动时需要安装可变桨距的桨盘机构、舵面、或旋翼倾转机构等。

特别地，除了在每个防水电机旁均安装防水舵机，以分别控制四个旋翼的总距，还可以采用一个防水舵机同时控制四个旋翼总距的方法，以减少执行机构数量，但这相对会增加结构复杂度与防水设计的难度。

多个磁吸连接件5布置于防水腔内并且安装在下壳体22内侧四周。也可以根据需要将多个磁吸连接件5安装在上壳体21内侧四周。本实施例中，六个无人机可以通过各自的磁吸连接件5吸附在一起组合成球体，在地面上滚动行进。特别地，各磁吸连接件5周围设置有通信和无线充电模块7，可以实现多个无人机在组合成类球体时实时交换数据和实现电量分配管理。

特别地，本发明的分布式多栖球形无人系统中各无人机还可以包括第二连接组件，包括上磁吸连接件8和下磁吸连接件（未示出）。上磁吸连接件8安装在上壳体21内侧中心位置，下磁吸连接件安装下壳体22内侧中心位置，此时上磁吸连接件8与下磁吸连接件的连线与无人机的中轴线重合。多个无人机可以通过各自的上磁吸连接件8和下磁吸连接件以叠加方式依次吸附排列成鱼雷状结构在水面航行。可以根据需要，通过叠加方式连接更多个无人机。

控制单元6位于防水腔内且安装在支架3的主体部31上，包括旋翼控制器和连接控制器。旋翼控制器与防水电机43、防水舵机44连接，通过传感器信号与控制指令调节旋翼转速和桨叶迎角。有利地，每个无人机都有单独运算的能力，在组合成地面滚动模态和水中航行模态中采用分布式控制方法，各无人机之间通过通信和无线充电模块传输数据，并各自计算实现控制指令所需要的的操纵量。连接控制器与多个磁吸连接件5、上磁吸连接件8、下磁吸连接件连接，用于控制多个无人机之间的连接或断开。本实施例中，多个磁吸连接件5、上磁吸连接件8和下磁吸连接件采用电磁铁结构，在多个无人机组合与分解过程中，由连接控制器根据任务需要控制通电或断电。在另外的实施方式中，多个磁吸连接件5、上磁吸连接件8和下磁吸连接件还可以采用永磁体结构，此时无需设计连接控制器，但是要求无人机能够产生足够的气动力脱离磁铁吸引。另外，还可以采用机械连接结构代替磁吸连接结构，以保证稳固连接，防止滚动模态下撞击导致连接处错位乃至分离的情况，但是机械连接结构复杂，重量增加。

本实施例针对上述分布式多栖球形无人系统提供了一种协同控制架构，如图6所示，主要包括策略知识库、客户端、决策管理模块和执行模块四个部分；所述客户端用于向所述决策管理模块输入用户的期望任务；所述决策管理模块包括监控管理单元和全局状态机。下面通过对所述协同控制架构的建立过程对各个部分进行详细说明。

第一步：建立策略知识库

基于多栖特性，本发明的分布式多栖球形无人系统需要面对相当复杂的任务场景，为了能够最好的完成任务，针对不同任务场景都要有合适的任务决策方法。本实施例中，分布式多栖球形无人系统主要包括飞行模态（包括空中集群飞行）和地面滚动模态两种工作模态，以及空中集群飞行模态、地面滚动模态、地空模态转换对应的三种典型的任务场景。各任务场景又可继续细分，如飞行模态下执行航迹追踪的任务场景，包括编队飞行、动态避障等；地面滚动模态下对响应快速性要求高且仅对各无人机姿态有要求的任务场景，包括平坦地面巡航、崎岖地面翻越等；地空模态转换过程中执行大机动动作的任务场景，包括空中聚集拼接、地面拆解起飞等。针对此，本实施例选取试验经验、智能算法、深度学习等方法，建立完备的策略知识库，用于后期无人系统的任务决策选取。下面主要针对地面滚动模态和地空模态转换建立策略知识库。

针对地面滚动模态下的任务场景，采用力矩驱动的方式推动球体转动和前进，具体的力矩由各无人机产生。本实施例考虑球体由六个无人机组成，基于正方体在地面的摆放状态，设定球体在地面滚动模态下的相对位置固定，总是有两个无人机处于竖直状态，负责提供球体的偏航转动的力矩；另外四个无人机位于竖直平面内，负责提供俯仰力矩使球体前进，这样即可将球体运动解耦到直线位移和转动两个方向上。一旦确认目标，假设路上无障碍，则球体运动可拆解为方向转动和前进两个阶段，每个阶段都可根据地面摩擦系数、目标距离计算出期望的转动力矩（大小和类型），再对每个无人机发回的位置、姿态等信息做融合处理，得到球体当前相对于球体坐标系的位姿变化，并计算出各无人机相对于球体系的转换矩阵，监控管理单元将计算出的期望转动力矩根据各无人机的转换矩阵平均分配到每个无人机上，以保证每个无人机的动力资源相对平均。特别地，考虑到计算与通信时间上的消耗，本实施例仿照MPC的思路，对球体的运动状态进行预估获得预估结果，监控管理单元将预估结果作为前馈项发送至执行模块，以提高控制精度。单个无人机收到发来的任务指令后分配到该无人机的每个电机上，实现球体的驱动。

针对地空模态转换下的任务场景，基于无人机具备高机动性能的假设，本实施例提出了一种筑楼式转换方案。

对于飞行模态转换为地面滚动模态的任务场景，如图7所示：

1）在对飞机完成编号的基础上，编号为1的无人机经过事先对地面的观测和判断，选择划定范围内在平坦和开阔性上取得最优的区域降落，并做机动180°反转；待1号无人机的飞行状态稳定后，其执行单元发送信息至所述监控管理单元；

2）监控管理单元根据收到的1号无人机的信息规划2-5号无人机的连接方位并规划其中每个无人机的机动轨迹，生成任务指令并发送到对应无人机；2-5号无人机接收任务指令后打开电磁吸附装置并同时执行机动，最终在1号无人机周围围成一圈，拼接形成具有缺口的球体；此处的任务指令包括判定指令和控制指令，所述判定指令用于指示任务场景的类别，所述控制指令用于控制所述无人系统执行相应任务场景的任务策略；

3）拼接完成后，已组装的五个无人机根据自身姿态适当调整，确保球体缺口朝上，6号无人机则打开磁吸附装置，平稳降落，完成与球体缺口的拼接。

对于地面滚动模态转换为飞行模态的任务场景，位于正上方的无人机首先起飞，剩余无人机在此后沿着球体坐标系Z轴方向施加一个大的推力散开，散开后每个无人机再分别进行位姿调整，实现起飞。

第二步：设计决策管理模块

由于分布式多栖球形无人系统分布式模块的特点，本发明设计了一个由全局状态机和监控管理单元组成的决策管理模块（也叫决策层）。监控管理单元监控管理多个无人机并收集每个无人机的飞行信息，并将所有飞行信息打包发送给全局状态机；全局状态机基于接收的飞行信息和期望任务，判定无人系统的当前状态是否具备执行期望任务，从而选择是否继续执行当前任务，还是执行期望任务并在策略知识库中寻找期望任务对应的策略，发送给监控管理单元，与监控管理单元连结形成上层智能；监控管理单元根据该策略对各无人机进行任务分配和规划并生成带有标识的任务指令，发送至执行模块。

决策管理模块的设计核心在全局状态机对任务策略的选取，本实施例建立了如下表用于判定：

以任务环境为平坦道路为例，此时为了节省能源提高效率，应当以滚动模态执行任务。因此，根据当前系统初始模态，需采取不同的决策行为，若初始模态为滚动模态，则直接调取知识库中地面滚动模态相关策略执行；若初始模态为飞行模态，则需先调取知识库中飞行模态转滚动模态相关策略，然后再调取知识库中地面滚动模态相关策略执行。

第三步：设计执行模块，所述执行模块包括多个执行单元，每个执行单元对应一个无人机。本发明设计了具有多接口控制器的执行单元，根据监控决策管理模块发送的带有标识的任务指令，选择采用外环控制器、内环控制器或油门控制器中的一种实现对无人机的控制。

特别地，各执行单元包括外环控制器、内环控制器、油门控制器和切换开关模块；其中，外环控制器为内环控制器的上级控制器；内环控制器分别为外环控制器和油门控制器的下级控制器和上级控制器；油门控制器为所述内环控制器的下级控制器。外环控制器接收用于控制相应无人机执行飞行模态下航迹追踪任务场景的任务策略的控制指令，输出期望姿态；内环控制器接收外环控制器输出的期望姿态或接收用于控制相应无人机执行地面滚动模态下对响应快速性要求高且仅对相应无人机姿态有要求的任务场景的任务策略的控制指令，输出期望油门；油门控制器接收内环控制器输出的期望油门或接收用于控制相应无人机执行两种模态转换过程中的大机动动作的任务场景的任务策略的控制指令，输出PWM油门信号，以驱动相应无人机执行期望的飞行动作；切换开关模块用于根据判定指令选择将控制指令输入外环控制器、内环控制器或油门控制器，或者选择将上级控制器输出接入其对应的下级控制器。

实际工作中，如图8所示，策略知识库、决策管理模块组成地面站；无人机的的控制系统由个体状态机及外环、内环、油门控制器组成。决策管理模块需要考虑地面站与无人机控制系统的通信问题。本发明设计地面站和所有无人机组成的全局通信网络中，每次决策完成后，决策通信模块将任务指令发送到网络中，每个任务指令均有编号，无人机据此认领自己的指令，并根据指令标识位将其接入相应的通道，实现控制。同时，搭建每个无人机个体与地面站间的点对点通信链路将无人机个体当前状态反馈给监控管理模块，形成控制规划的闭环。

下面为了验证上述协同控制架构的有效性，本发明针对地面滚动模态的控制在MATLAB/Simulink中搭建了完整的控制框架，并通过可视化工具对该控制框架的效果进行直观的展示，以验证本发明针对分布式多栖球形无人系统的创新型协同控制架构的有效性。具体验证过程如下：

第一步：搭建四旋翼无人机模型及内外环控制器；

四旋翼无人机模型的数学表达如下所示：

式中：r为四旋翼位置向量；v为四旋翼速度向量；g为重力加速度，f为桨叶作用升力，m为机体质量，

为姿态角速率，W为表示姿态角速率与机体角速度之间关系的矩阵，

为机体角速度，

为单位向量；τ为四旋翼所受三轴力矩；R为地面坐标系到体坐标系的变换矩阵；G _a为旋翼的陀螺力矩；J为机体转动惯量；下标e指代物理量在地面坐标系下的表达；下标b指代物理量在体坐标系下的表达。

对于四旋翼的内外环控制器，本实施例选取PID律进行设计并给定期望位置进行仿真验证如图9所示，结果显示跟踪效果良好。

在此基础上，分别在外环输入、内环输入、模型输入处加入一个切换机以应对不同需求的指令，如图10所示，即完成个体四旋翼模型及内外环控制器的搭建。

第二步：设计集中式决策层；

基于上文所描述的球体解耦控制思路，全局状态机需收集六个无人机的信息，确保其相对位置类似于正方体平稳放置在平面内，方可连接策略数据库与监控管理模块。考虑到滚动模态下六个无人机的几何结构固定，因此只要有一个无人机处于正常水平状态，则可判定球体准备就绪。数学化描述为：

其中，

表示第i架飞机的俯仰角，

表示第i架飞机的滚转角。

第三步：建立策略知识库；

首先将组装后的六个无人机看作一个整体，则无人系统表征出球体的运动特性，考虑摩擦力影响建立起分布系统的运动学和动力学方程，并据此搭建球体内外环控制器。其中，外环控制器输入为期望位置，输出为需要的期望角速度；内环控制器接收外环控制器输出并计算得到期望力矩。需要注意的是，由于球体的前进和转向运动是完全解耦的，其控制器也相互独立，互不干扰。

在得到了总需求力矩的基础上，需要考虑具体的动力分配，由于给出的动力仅为力矩，因此还需要考虑受力平衡的问题。观察图11，显然(1,3)、(2,4)、(5,6)三组对应的无人机在力矩产生上是等价的，且他们可产生等大反向的力，而(1,3)、(2,4)两组无人机又均用于产生球体前进的滚转力矩，其在任务等级与内容上是等价的；(5,6)两架飞机用于产生球体转向的偏航力矩。因此，具体的力矩分配应该按照类型和平均分配的原则进行，确保既能产生需要的力矩，又不会出现冗余的力。

在MATLAB/Simulink中按上述三步搭建完整的控制框架，并设定一个期望目标观察其位置响应，如图12所示，超调为1%，稳态误差为1cm，响应时间控制在1s内，证明性能良好。利用MATLAB中的可视化工具具体观察多目标下球体的运动轨迹，如图13、图14所示，证明本发明的无人系统能够有效的执行任务。

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种分布式多栖球形无人系统的协同控制架构，其特征在于，所述无人系统包括多个无人机，每个无人机相当于柏拉图立体结构中正多面体的一面，所述多个无人机能够组合成类球体结构；所述无人系统包括工作模态：飞行模态和地面滚动模态；所述协同控制架构包括策略知识库、客户端、决策管理模块和执行模块；

所述策略知识库，用于提供所述无人系统在工作模态和工作模态转换下的任务场景，以及所述任务场景的任务策略；所述客户端用于向所述决策管理模块输入用户的期望任务；

所述决策管理模块包括监控管理单元和全局状态机，所述监控管理单元用于监控管理所述多个无人机并收集每个无人机的飞行信息，并将所有飞行信息打包发送给所述全局状态机；所述全局状态机用于基于接收的飞行信息和期望任务，判定所述无人系统的当前状态是否具备执行期望任务的能力，从而选择是否继续执行当前任务，还是执行期望任务并在所述策略知识库中寻找期望任务对应的策略，发送给所述监控管理单元；所述监控管理单元根据该策略对各无人机进行任务分配和规划并生成带有标识的任务指令，发送至所述执行模块；

所述执行模块包括多个执行单元，每个执行单元对应一个无人机；各执行单元用于根据标识认领该执行单元对应无人机的任务指令，并根据该任务指令对对应无人机进行控制；同时将对应无人机的当前飞行信息反馈到所述监控管理单元。

2.根据权利要求1所述的控制架构，其特征在于，所述任务场景包括：飞行模态下执行航迹追踪的任务场景、地面滚动模态下对响应快速性要求高且仅对各无人机姿态有要求的任务场景、飞行模态和地面滚动模态两种模态转换过程中执行大机动动作的任务场景。

3.根据权利要求1所述的控制架构，其特征在于，所述无人系统包括6个无人机，在地面滚动模态的任务场景下，所述6个无人机组合成类球体，采用力矩驱动的方式推动类球体转动和前进；设定类球体在地面滚动场景下的相对位置固定，处于竖直状态的两个无人机负责提供球体的偏航转动力矩，另外四个无人机负责提供俯仰力矩使球体前进，由此将球体运动解耦到直线位移和转动两个方向；假设路上无障碍，将类球体运动拆解为方向转动和前进两个阶段；

所述地面滚动模态的任务场景的任务策略包括：首先，根据类球体和地面的摩擦系数以及目标距离计算出期望转动力矩；其次，对每个无人机的执行单元发回的位置、姿态信息做融合处理，得到类球体当前相对于球体坐标系的位姿变化，并计算出每个无人机相对于球体坐标系的转换矩阵；最后，所述监控管理单元将期望转动力矩根据每个无人机的转换矩阵平均分配到每个无人机上，以保证每个无人机的动力资源相对平均。

4.根据权利要求3所述的控制架构，其特征在于，所述地面滚动模态的任务场景的任务策略还包括：对类球体的运动状态进行预估获得预估结果，所述监控管理单元将预估结果发送至各执行单元，各执行单元将预估结果作为前馈项对对应无人机进行控制。

5.根据权利要求1所述的控制架构，其特征在于，假设各无人机具备高机动性能并按1,2,…,n对所述多个无人机进行编号，n为所述多个无人机的数量；飞行模态和地面滚动模态两种工作模态转换下的任务场景的任务策略包括：

飞行模态转换为地面滚动模态的任务场景的任务策略：

1）1号无人机经过事先对地面的观测和判断，选择最优区域降落，并做机动180°反转，待1号无人机的飞行状态稳定后，其执行单元发送信息至所述监控管理单元；

2）所述监控管理单元根据收到的1号无人机的信息规划2至n-1号无人机的连接方位并规划其中每个无人机的机动轨迹，生成任务指令并发送到对应无人机；2至n-1号无人机接收任务指令后控制各自的连接机构作动，在1号无人机周围围成一圈，拼接形成具有缺口的类球体；

3）拼接的n-1个无人机分别调整自身姿态，确保类球体缺口朝上，n号无人机平稳降落，利用其连接机构完成与类球体缺口的拼接；

地面滚动模态转换为飞行模态的任务场景的任务策略：

位于类球体正上方的无人机首先起飞，之后剩余无人机沿着球体坐标系Z轴方向施加一个大的推力散开，散开后每个无人机分别进行位姿调整，实现起飞。

6.根据权利要求1所述的控制架构，其特征在于，所述任务指令包括判定指令和控制指令，所述判定指令用于指示任务场景的类别，所述控制指令用于控制所述无人系统执行相应任务场景的任务策略。

7.根据权利要求6所述的控制架构，其特征在于，各执行单元包括外环控制器、内环控制器、油门控制器和切换开关模块；所述外环控制器为所述内环控制器的上级控制器；所述内环控制器分别为所述外环控制器和所述油门控制器的下级控制器和上级控制器；所述油门控制器为所述内环控制器的下级控制器；

所述外环控制器用于接收用于控制相应无人机执行飞行模态下任务场景的任务策略的控制指令，输出期望姿态；所述内环控制器用于接收所述外环控制器输出的期望姿态或接收用于控制相应无人机执行地面滚动模态下任务场景的任务策略的控制指令，输出期望油门；所述油门控制器用于接收所述内环控制器输出的期望油门或接收用于控制相应无人机执行两种模态转换下任务场景的任务策略的控制指令，输出PWM油门信号，以驱动相应无人机执行期望的飞行动作；所述切换开关模块用于根据判定指令选择将控制指令输入外环控制器、内环控制器或油门控制器，或者选择将上级控制器输出接入其对应的下级控制器。

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