四旋翼无人机编队控制若干问题研究

发布时间：2020-03-20 23:48

【摘要】：在过去的十年里,四旋翼无人机不管是在科研方面还是在商业方面都吸引了无数眼球。尤其是近几年来,随着四旋翼无人机的控制技术的越来越成熟和多智能体系统控制的快速发展,群体系统编队的应用前景越来越广泛。四旋翼无人机在山区、沼泽地等复杂环境中编队任务方面,其比固定翼无人机和地面机器人等具有高效率、低成本等优势。因此无论是科研机构还是商业公司都开始研究四旋翼无人机编队控制策略。本文的主要研究工作包含以下几个方面:(1)设计了一种具有虚拟领导者的四旋翼无人机的蜂拥最优可持续性编队控制算法。首先,在无向通信拓扑下,利用速度一致性算法、人工势函数梯度和引导反馈项计算的方法,实现有虚拟领导者的四旋翼无人机的蜂拥编队控制。然后,考虑到无向通信拓扑通讯难度高以及噪声大的缺点,在实现上述的蜂拥编队后,将无向通信拓扑变为最优可持续性有向通信拓扑,从而实现最优可持续性编队。最后,通过matlab数值仿真和Gazebo 3D仿真证明了编队控制算法的可行性和有效性。(2)针对具有一个领导者的四旋翼无人机系统,本文设计了编队控制策略。其中跟随者的状态按照预先设定的目标函数,同时跟踪领导者的状态。首先介绍了四旋翼无人机动力学模型,对四旋翼无人机编队控制系统进行描述。随后基于相邻四旋翼无人机的相对信息提出了具有一个领导者的编队控制协议,并结合给出的动力学模型证明了编队控制协议的理论的正确性。最后给出了 matlab数值仿真结果和Gazebo 3D仿真实验结果。(3)本文研究了具有切换通信拓扑的三机编队控制问题,并设计了编队控制算法。结合基于图论的编队可行性约束,提出了具有切换通信拓扑的四旋翼无人机系统实现编队的充分必要条件。通过求解代数Riccati方程,提出了一种设计编队控制协议的方法,并利用常用的Lyapunov稳定性理论证明了该方法的稳定性。所得结论可以用于解决四旋翼无人机集群系统编队飞行时目标聚合问题。最后,通过matlab数值仿真和Gazebo 3D仿真实验证明了编队控制协议的有效性和可行性。(4)本文引入了自主机器人3D仿真环境Gazebo,并开发了基于Gazebo和Pixhawk的四旋翼无人机编队3D仿真平台。通过该平台可以更加直观的展现四旋翼无人机编队飞行,仿真结果更真实可靠和便于后续研究分析。
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交互的任何可控系统，例如无人机（ＵＡＶ），移动传感器网络中的传感器、导弹或机器逡逑人等。智能体有广泛的应用，这是研宄ＭＡＳ的另一个关键原因，类似的技术和理论可逡逑用于研究各种智能体网络。ＭＡＳ的概述可以在Ｗ和其中的参考文献中找到。如图１．１，逡逑多智能体编队控制广泛用于机器人快递分拣、多无人机集群作战、无人机协同加油、自逡逑主卫星编队ｗ和自主水下航行器等领域。逡逑＂■Ｐｉ邋－－逡逑Ｂｊ＾＾ｉ邋：逡逑ＨｈＩＩ逡逑图１．１多智能体控制的实际应用逡逑近年来，对客智能休系统的协Ｍ控制的研究方叫很多种，例如一致性控制编队逡逑Ｉ逡逑

杭州电子科技大学硕士学位论文逡逑：？逡逑图２．７四旋翼无人机ｚ’及其领域＃，的几何表示逡逑定义２．６人工势函数是对四旋翼无人机之间相互作用的评价函数，该函数只和位置有逡逑关，可以如下表示：逡逑（－）邋＝邋｛邋（Ｐ，，邋［ｓ￥ｓ逦（２．５）逡逑ｄａ逡逑引理２．５人工势函数Ｉ的基本性质如Ｆ：逡逑（１）当｜邋—邋0时，人工势函数Ｋ的值为最大值；逡逑Ｃ２）当１＾１等于设定的期望值时，Ｌ的值为最小值。当满足时，７／？的逡逑值一直是某个很小的正常数。逡逑（３）邋＆（３）的加入是为构造一个有有限个间断点的光滑势能函数，并且当满足逡逑ＩＭＬ邋＞邋ＩＨＬ时其值是％⑴＝０的特性函数；逡逑２．５四旋翼无人机系统逡逑四旋翼无人机的模型如图２．邋８所示：逡逑｜Ｔ＇逡逑－’邋ｄ逡逑图２．８四旋

本文编号：2592385