四旋翼無人機編隊飛行控制方法的研究.pdf

1、隨著新型材料、機械電子、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及控制技術(shù)的發(fā)展進步，加上微型旋翼飛行器低廉的價格、靈活的操作性、穩(wěn)定的控制性能、適應(yīng)環(huán)境能力強及可避免人員傷亡的特點，近些年旋翼飛行器在軍事、民用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而單架飛行器存在能源不足、負載有限及面對復(fù)雜環(huán)境時效率低下等問題，這難以保證飛行器順利完成任務(wù)，解決上述問題最簡單也最有效的方式是采用多架飛行器的協(xié)同配合。因此，本文在研究四旋翼飛行器控制算法的基礎(chǔ)上，重點研究了四旋翼飛行器的編隊飛

2、行控制方法。本文具體的工作與創(chuàng)新體現(xiàn)如下:
　　1)針對四旋翼飛行器在真實環(huán)境中存在參數(shù)不確定及外部擾動的問題，對飛行器的位置控制技術(shù)展開研究。論文在對四旋翼飛行器運動方程組分析的基礎(chǔ)上，針對四旋翼無人機的位置控制，分別設(shè)計了滑膜變結(jié)構(gòu)控制器和分離飽和控制器兩種控制器，并通過不同軌跡的跟蹤實驗分別進行仿真研究及分析。結(jié)果表明，兩種控制算法在處理飛行器控制系統(tǒng)參數(shù)不確定和遭受外擾動方面都具有較好的控制效果，且分離飽和非線性控制算法能

3、夠提供更加平滑的無人機行為。此外，基于模型的設(shè)計思想開發(fā)了四旋翼無人機姿態(tài)控制系統(tǒng)，并通過仿真與實驗驗證了此種思想的有效性。
　　2)由于采用相鄰交叉耦合同步控制思想的飛行器編隊控制系統(tǒng)，其控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜度隨飛行器數(shù)量的增加而增加，針對這一問題，論文基于環(huán)形網(wǎng)絡(luò)通信拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計了環(huán)形耦合同步控制策略，同時也提出了一種同步性能較好的平均偏差耦合同步控制策略，使得飛行器編隊控制系統(tǒng)在保證同步性能的同時，控制系統(tǒng)的復(fù)雜度不隨飛行器數(shù)量的增

4、加而增加。并將設(shè)計的同步控制方式與滑膜控制相結(jié)合，以處理飛行器編隊系統(tǒng)中系統(tǒng)參數(shù)的不確定性和外部擾動的問題。論文通過比較研究給出了針對系統(tǒng)參數(shù)不確定、不同外擾動和不同的同步控制策略的仿真實驗結(jié)果。大量的比較結(jié)果表明，環(huán)形耦合同步控制方式和平均偏差耦合同步控制方式在無人機的位置同步上是有效的，并保證了無人機穩(wěn)定的編隊飛行;所提出的平均偏差耦合滑膜控制方案在四旋翼無人機的位置跟蹤和位置同步方面具有較高的控制精度，達到了無人機編隊飛行較好的編

5、隊效果。
　　3)針對飛行器一階積分器模型無法反映飛行器的位置和速度兩個狀態(tài)的問題，本文采用飛行器的二階積分模型，并結(jié)合分離飽和非線性控制和二階一致性算法對飛行器的編隊控制展開研究，以實現(xiàn)更準(zhǔn)確的編隊控制。文中首先將飛行器的x、y位置和高度z的動力學(xué)信息分解出來并對其分別設(shè)計了控制器;之后針對飛行器的水平位置結(jié)合其二階積分模型，采用二階一致性協(xié)議設(shè)計飛行器的一致性控制算法及編隊控制算法;最后仿真結(jié)果表明由三架四旋翼無人機組成的編隊

6、系統(tǒng)在所提出的非線性編隊控制策略下能夠收斂到期望的參考軌跡并完成了一致性和編隊飛行控制。
　　4)本論文基于四旋翼無人機帶有參數(shù)不確定和外部擾動的二階運動學(xué)方程，針對飛行器的長機-僚機編隊方案結(jié)合圖論和二階滑膜控制提出了二階滑膜編隊控制器。并通過一架長機和三架僚機完成正方形編隊的仿真實驗來驗證所提出的編隊控制算法的有效性。根據(jù)結(jié)果對比分析可知，所提出的二階滑膜編隊控制方案相比于PD編隊控制方案和滑膜編隊控制方案具有更好的控制性能和