多無人機(jī)協(xié)同編隊(duì)仿生飛行控制關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著單架無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展日趨成熟，軍事和民事領(lǐng)域?qū)o人機(jī)的任務(wù)需求變得苛刻，人們開始關(guān)注生物界編隊(duì)鳥群（如大雁、天鵝等）長(zhǎng)途遷徙的現(xiàn)象，分析生物系統(tǒng)的進(jìn)化特征與行為規(guī)律，利用多無人機(jī)協(xié)同編隊(duì)飛行（Coordinated Formation Flight，簡(jiǎn)稱CFF）與生物系統(tǒng)（個(gè)體或群體）的某些原理和行為相似性，將仿生學(xué)引入到CFF研究中，以期獲得類似鳥群長(zhǎng)途遷徙的功效，如降低飛行阻力、節(jié)省燃油、延長(zhǎng)巡航距離等。由于多無人機(jī)CFF控制技

2、術(shù)具有廣闊的工程應(yīng)用前景，因此這一項(xiàng)目已在世界范圍內(nèi)激發(fā)了科研人員越來越高的研究熱情，但又因該項(xiàng)目需要涉及多學(xué)科和多技術(shù)領(lǐng)域，因此研究難度高。目前國外雖已取得了顯著的研究成果，但離工程應(yīng)用還有很大的差距，而國內(nèi)研究才剛剛起步，還屬于理論跟蹤性研究，所以系統(tǒng)深入的研究多無人機(jī)CFF控制技術(shù)，逐步實(shí)現(xiàn)其工程應(yīng)用已成燃眉之際。本文正是基于多無人機(jī) CFF控制技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展背景，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況，從多無人機(jī)編隊(duì)飛行的基本原理到功能的硬件實(shí)

3、現(xiàn)，采取環(huán)環(huán)相扣的研究方法，完成了多無人機(jī)CFF控制技術(shù)的前期研究工作。全文研究的多無人機(jī)CFF控制關(guān)鍵技術(shù)主要包括四個(gè)方面：多無人機(jī)CFF的氣動(dòng)耦合模型、CFF中單架UAV的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型、CFF控制器以及硬件在環(huán)的CFF測(cè)試平臺(tái)構(gòu)建技術(shù)。 論文首先總結(jié)了前人在這一領(lǐng)域內(nèi)已有的研究成果，并在此基礎(chǔ)上對(duì)緊密編隊(duì)飛行中非常重要的氣動(dòng)耦合問題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，然后分析對(duì)比了幾種常見的渦流模型，利用簡(jiǎn)化的飛機(jī)結(jié)構(gòu)和一種近似平均有效

4、風(fēng)和風(fēng)梯度的計(jì)算方式，針對(duì)“長(zhǎng)機(jī)-僚機(jī)”的V型編隊(duì)方式和非線性6 DOF的剛性飛機(jī)，確立了適合多無人機(jī)CFF動(dòng)態(tài)特性研究的氣動(dòng)耦合模型，繼而分析這種氣動(dòng)耦合對(duì)飛機(jī)各種參量所產(chǎn)生的影響作用，并相應(yīng)完成了對(duì)已有的標(biāo)準(zhǔn)飛機(jī)氣動(dòng)力和力矩系數(shù)方程組的調(diào)整工作。 其次，利用第一階段的工作成果，論文給出了“長(zhǎng)機(jī)-僚機(jī)”編隊(duì)方式下多無人機(jī) CFF模型，通過慣性坐標(biāo)軸系、速度坐標(biāo)軸系與機(jī)體坐標(biāo)軸系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，深入的分析了受翼尖渦流影響的CFF

5、中單架無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性，同時(shí)給出了其特有的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型。 論文的核心研究?jī)?nèi)容之一是如何設(shè)計(jì)出一種能夠確保僚機(jī)實(shí)時(shí)跟隨長(zhǎng)機(jī)飛行航跡的飛行控制器。在本文前期工作的基礎(chǔ)上，利用多無人機(jī) CFF中的單架無人機(jī)的非線性動(dòng)力學(xué)模型，針對(duì)飛機(jī)特有的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，即飛機(jī)的狀態(tài)變量可按時(shí)間尺度的不同分成慢變量( )和快變量( )，對(duì)應(yīng)的給出了雙環(huán)控制器的設(shè)計(jì)方法：外環(huán)利用帶積分消除跟隨航跡穩(wěn)態(tài)誤差的變結(jié)構(gòu)滑?？刂破?，內(nèi)環(huán)則采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)消除逆

6、誤差的動(dòng)態(tài)逆控制器。整個(gè)設(shè)計(jì)過程緊緊圍繞多無人機(jī)CFF系統(tǒng)建立的要求，由長(zhǎng)機(jī)航跡信息已知的理想假設(shè)，到完全不用知曉情況下實(shí)施目標(biāo)跟隨，并保持特定的編隊(duì)隊(duì)形，層層深入地系統(tǒng)研究了飛行跟隨控制律，最后利用Matlab7.1對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明該飛行控制器能夠確保僚機(jī)在長(zhǎng)機(jī)產(chǎn)生的渦流場(chǎng)中保持編隊(duì)飛行的隊(duì)形結(jié)構(gòu)。 本文另一個(gè)核心研究?jī)?nèi)容是硬件在環(huán)的多無人機(jī)CFF測(cè)試平臺(tái)的研制。文中詳細(xì)的闡述了多無人機(jī) CFF系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和軟

7、硬件實(shí)現(xiàn)過程。整個(gè)系統(tǒng)主要由三個(gè)子系統(tǒng)組成：無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)（Flight Control System，簡(jiǎn)稱FCS）、基于Statemate構(gòu)建的無人機(jī)虛擬樣機(jī)（Virtual Prototype，簡(jiǎn)稱VP）以及地面測(cè)試系統(tǒng)。硬件測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)中加入了FCS-VP思想，主要是基于低成本考慮，而FCS-VP雖然是一種數(shù)字化的軟件模型，但其設(shè)計(jì)理念與系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化（System Design Automation，SDA）完全一致，可以