四旋翼無人機(jī)編隊(duì)飛行控制方法的研究.pdf

1、隨著新型材料、機(jī)械電子、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及控制技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，加上微型旋翼飛行器低廉的價(jià)格、靈活的操作性、穩(wěn)定的控制性能、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)及可避免人員傷亡的特點(diǎn)，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(fù)載有限及面對(duì)復(fù)雜環(huán)境時(shí)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(jiǎn)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(diǎn)研究了四旋翼飛行器的編隊(duì)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(duì)四旋翼飛行器在真實(shí)環(huán)境中存在參數(shù)不確定及外部擾動(dòng)的問題，對(duì)飛行器的位置控制技術(shù)展開研究。論文在對(duì)四旋翼飛行器運(yùn)動(dòng)方程組分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)四旋翼無人機(jī)的位置控制，分別設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)分別進(jìn)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(dòng)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(jī)行為。此外，基于模型的設(shè)計(jì)思想開發(fā)了四旋翼無人機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)，并通過仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(duì)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(duì)這一問題，論文基于環(huán)形網(wǎng)絡(luò)通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了環(huán)形耦合同步控制策略，同時(shí)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(duì)控制系統(tǒng)在保證同步性能的同時(shí)，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(jì)的同步控制方式與滑膜控制相結(jié)合，以處理飛行器編隊(duì)系統(tǒng)中系統(tǒng)參數(shù)的不確定性和外部擾動(dòng)的問題。論文通過比較研究給出了針對(duì)系統(tǒng)參數(shù)不確定、不同外擾動(dòng)和不同的同步控制策略的仿真實(shí)驗(yàn)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(jī)的位置同步上是有效的，并保證了無人機(jī)穩(wěn)定的編隊(duì)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(jī)的位置跟蹤和位置同步方面具有較高的控制精度，達(dá)到了無人機(jī)編隊(duì)飛行較好的編

5、隊(duì)效果。
　　3)針對(duì)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(gè)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(duì)飛行器的編隊(duì)控制展開研究，以實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的編隊(duì)控制。文中首先將飛行器的x、y位置和高度z的動(dòng)力學(xué)信息分解出來并對(duì)其分別設(shè)計(jì)了控制器;之后針對(duì)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(jì)飛行器的一致性控制算法及編隊(duì)控制算法;最后仿真結(jié)果表明由三架四旋翼無人機(jī)組成的編隊(duì)

6、系統(tǒng)在所提出的非線性編隊(duì)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(duì)飛行控制。
　　4)本論文基于四旋翼無人機(jī)帶有參數(shù)不確定和外部擾動(dòng)的二階運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，針對(duì)飛行器的長(zhǎng)機(jī)-僚機(jī)編隊(duì)方案結(jié)合圖論和二階滑膜控制提出了二階滑膜編隊(duì)控制器。并通過一架長(zhǎng)機(jī)和三架僚機(jī)完成正方形編隊(duì)的仿真實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證所提出的編隊(duì)控制算法的有效性。根據(jù)結(jié)果對(duì)比分析可知，所提出的二階滑膜編隊(duì)控制方案相比于PD編隊(duì)控制方案和滑膜編隊(duì)控制方案具有更好的控制性能和