虚拟刚体模型的四旋翼无人机群复杂障碍物的环境航行控制附Matlab 实现
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⛄ 内容介绍
基于虚拟刚体模型的四旋翼无人机群在复杂障碍物环境中航行控制的主要步骤如下：
1使用传感器（如摄像头、激光雷达等）对周围环境进行感知，检测和识别障碍物，获取环境信息。
路径规划：基于感知到的环境信息，采用适当的路径规划算法（如A*算法、RRT算法等）计算无碰撞的路径。此路径应避开障碍物，并满足任务需求。
群控制策略：根据路径规划结果，设计合适的群控制策略，使无人机群能够有效协作并保持安全距离，在给定的航线上运动。
位置估计和导航控制：使用传感器来进行位置估计，获得无人机的当前状态信息。然后，通过导航控制算法（如PID控制器、模型预测控制器等）计算适当的控制指令，以维持无人机的期望轨迹。
障碍物回避：在航行过程中，如果无人机接近障碍物，使用避障算法（如局部避障、动态路径规划等）进行实时避障决策。根据环境感知信息，调整无人机的航迹，以避免碰撞。
群通信与协调：为实现群体智能和协作，在无人机之间通过无线通信建立一个群体通信网络，共享位置信息、航迹计划和传感器数据。这有助于无人机之间的协同工作和决策。
需要注意的是，基于虚拟刚体模型的四旋翼无人机群在复杂障碍物环境中航行控制是一项相对复杂的任务。它需要综合考虑感知、路径规划、群控制、避障、通信和导航等多个方面因素，并结合适当的算法和技术来实现。此外，系统的安全性和鲁棒性也是重要的考虑因素，在设计和实施过程中需加以关注。
本文提出了不确定性影响下四旋翼无人机（UAV）的非线性跟踪控制系统。假设平移动力学和姿态动力学中存在非结构化扰动，直接在特殊欧几里德群上开发几何非线性自适应控制器。特别是，提出了一种新形式的自适应控制项，以保证稳定性，同时补偿四旋翼动力学中不确定性的影响。给出了严格的数学稳定性证明。通过激进动作的数值示例和实验结果说明了所需的特征。
⛄ 部分代码
function UAVs_formation = set_formation(n_uavs, formation)
%% Line
if formation == "line"
if n_uavs == 4
r1 = [0; -1.5; 0];
r2 = [0; -0.5; 0];
r3 = [0; 0.5; 0];
r4 = [0; 1.5; 0];
UAVs_formation = [r1 r2 r3 r4];
end
if n_uavs == 8
r1 = [0; -3.5; 0];
r2 = [0; -2.5; 0];
r3 = [0; -1.5; 0];
r4 = [0; -0.5; 0];
r5 = [0; 0.5; 0];
r6 = [0; 1.5; 0];
r7 = [0; 2.5; 0];
r8 = [0; 3.5; 0];
UAVs_formation = [r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 r8];
end
if n_uavs == 16
r1 = [0; -7.5; 0];
r2 = [0; -6.5; 0];
r3 = [0; -5.5; 0];
r4 = [0; -4.5; 0];
r5 = [0; -3.5; 0];
r6 = [0; -2.5; 0];
r7 = [0; -1.5; 0];
r8 = [0; -0.5; 0];
r9 = [0; 0.5; 0];
r10= [0; 1.5; 0];
r11= [0; 2.5; 0];
r12= [0; 3.5; 0];
r13= [0; 4.5; 0];
r14= [0; 5.5; 0];
r15= [0; 6.5; 0];
r16= [0; 7.5; 0];
UAVs_formation = [r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 r8 r9 r10 r11 r12 r13 r14 r15 r16];
end
if n_uavs == 32
r1 = [0; -15.5; 0];
r2 = [0; -14.5; 0];
r3 = [0; -13.5; 0];
r4 = [0; -12.5; 0];
r5 = [0; -11.5; 0];
r6 = [0; -10.5; 0];
r7 = [0; -9.5; 0];
r8 = [0; -8.5; 0];
r9 = [0; -7.5; 0];
r10= [0; -6.5; 0];
r11= [0; -5.5; 0];
r12= [0; -4.5; 0];
r13= [0; -3.5; 0];
r14= [0; -2.5; 0];
r15= [0; -1.5; 0];
r16= [0; -0.5; 0];
r17= [0; 0.5; 0];
r18= [0; 1.5; 0];
r19= [0; 2.5; 0];
r20= [0; 3.5; 0];
r21= [0; 4.5; 0];
r22= [0; 5.5; 0];
r23= [0; 6.5; 0];
r24= [0; 7.5; 0];
r25= [0; 8.5; 0];
r26= [0; 9.5; 0];
r27= [0; 10.5; 0];
r28= [0; 11.5; 0];
r29= [0; 12.5; 0];
r30= [0; 13.5; 0];
r31= [0; 14.5; 0];
r32= [0; 15.5; 0];
UAVs_formation = [r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 r8 r9 r10 r11 r12 r13 r14 r15 r16 r17 r18 r19 r20 r21 r22 r23 r24 r25 r26 r27 r28 r29 r30 r31 r32];
end
end
%% Square
if formation == "square"
if n_uavs == 4
r1 = [-3; -3; 0];
r2 = [ 3; -3; 0];
r3 = [ 3; 3; 0];
r4 = [-3; 3; 0];
UAVs_formation = [r1 r2 r3 r4];
end
if n_uavs == 8
r1 = [-3; -3; 0];
r2 = [ 0; -3; 0];
r3 = [ 3; -3; 0];
r4 = [ 3; 0; 0];
r5 = [ 3; 3; 0];
r6 = [ 0; 3; 0];
r7 = [-3; 3; 0];
r8 = [-3; 0; 0];
UAVs_formation = [r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 r8];
end
if n_uavs == 16
r1 = [-4; -4; 0];
r2 = [ 0; -4; 0];
r3 = [ 4; -4; 0];
r4 = [ 4; 0; 0];
r5 = [ 4; 4; 0];
r6 = [ 0; 4; 0];
r7 = [-4; 4; 0];
r8 = [-4; 0; 0];
r9 = [-2; -2; 0];
r10= [ 0; -2; 0];
r11= [ 2; -2; 0];
r12= [ 2; 0; 0];
r13= [ 2; 2; 0];
r14= [ 0; 2; 0];
r15= [-2; 2; 0];
r16= [-2; 0; 0];
UAVs_formation = [r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 r8 r9 r10 r11 r12 r13 r14 r15 r16];
end
if n_uavs == 32
r1 = [-4; -4; 0];
r2 = [ 0; -4; 0];
r3 = [ 4; -4; 0];
r4 = [ 4; 0; 0];
r5 = [ 4; 4; 0];
r6 = [ 0; 4; 0];
r7 = [-4; 4; 0];
r8 = [-4; 0; 0];
r9 = [-2; -2; 0];
r10= [ 0; -2; 0];
r11= [ 2; -2; 0];
r12= [ 2; 0; 0];
r13= [ 2; 2; 0];
r14= [ 0; 2; 0];
r15= [-2; 2; 0];
r16= [-2; 0; 0];
r17 = [-6; -6; 0];
r18 = [ 0; -6; 0];
r19 = [ 6; -6; 0];
r20 = [ 6; 0; 0];
r21 = [ 6; 6; 0];
r22 = [ 0; 6; 0];
r23 = [-6; 6; 0];
r24 = [-6; 0; 0];
r25 = [-5; 5; 0];
r26 = [-5; 0; 0];
r27 = [-5; -5; 0];
r28 = [ 0; -5; 0];
r29 = [ 5; -5; 0];
r30 = [ 5; 0; 0];
r31 = [ 5; 5; 0];
r32 = [ 0; 5; 0];
UAVs_formation = [r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 r8 r9 r10 r11 r12 r13 r14 r15 r16 r17 r18 r19 r20 r21 r22 r23 r24 r25 r26 r27 r28 r29 r30 r31 r32];
end
end
%% M-shape
if formation == "M-shape"
if n_uavs == 5
r1 = [-3.5; -4; 0];
r2 = [-3.5; 3; 0];
r3 = [ 0; 0; 0];
r4 = [ 3.5; 3; 0];
r5 = [ 3.5; -4; 0];
UAVs_formation = [r1 r2 r3 r4 r5];
end
if n_uavs == 12
r1 = [ -8; 5.5; 0];
r2 = [ -8; -5; 0];
r3 = [-3.5; -5; 0];
r4 = [-3.5; 1.5; 0];
r5 = [ 0; 0; 0];
r6 = [ 3.5; 1.5; 0];
r7 = [ 3.5; -5; 0];
r8 = [ 8; -5; 0];
r9 = [ 8; 5.5; 0];
r10= [ 3.5; 5.5; 0];
r11= [ 0; 4; 0];
r12= [-3.5; 5.5; 0];
UAVs_formation = [r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 r8 r9 r10 r11 r12];
end
if n_uavs == 30
r1 = [ -8; 5.5; 0];
r2 = [ -8; -5; 0];
r3 = [-3.5; -5; 0];
r4 = [-3.5; 1.5; 0];
r5 = [ 0; 0; 0];
r6 = [ 3.5; 1.5; 0];
r7 = [ 3.5; -5; 0];
r8 = [ 8; -5; 0];
r9 = [ 8; 5.5; 0];
r10= [ 3.5; 5.5; 0];
r11= [ 0; 4; 0];
r12= [-3.5; 5.5; 0];
r13= [ -8; 1.5; 0];
r14= [ -8; -2.5; 0];
r15= [ -6.5; -5; 0];
r16= [ -4.5; -5; 0];
r17= [ -3.5; -2.5; 0];
r18= [ -2; 1; 0];
r19= [ 2; 1; 0];
r20= [ 4.5; -5; 0];
r21= [ 6.5; -5; 0];
r22= [ 3.5; -2.5; 0];
r23= [ 8; -2.5; 0];
r24= [ 8; 1.5; 0];
r25= [ 6.5; 5.5; 0];
r26= [ 4.5; 5.5; 0];
r27= [ 2; 4.5; 0];
r28= [ -2; 4.5; 0];
r29= [ -4.5; 5.5; 0];
r30= [ -6.5; 5.5; 0];
UAVs_formation = [r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 r8 r9 r10 r11 r12 r13 r14 r15 r16 r17 r18 r19 r20 r21 r22 r23 r24 r25 r26 r27 r28 r29 r30];
end
end
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