编队无人机航路规划与轨迹跟踪技术研究

发布时间：2020-06-21 05:20

【摘要】：随着无人机技术、微电子技术、导航定位技术的快速发展,无人机已广泛应用于军用和民用领域。与单无人机执行任务相比,采用不同的编队队形执行不同任务不仅可以大大提升执行任务的效率同时可以提高执行任务的可靠性。本文对编队无人机的航路规划、队形保持与控制、航路跟踪进行了研究。首先,以F450四旋翼无人机为例,分析了F450四旋翼无人机的特点和飞行原理,利用牛顿-欧拉法建立并推导出了F450四旋翼无人机的运动学模型。针对编队无人机的三维路径规划、队形保持的策略研究中,首先,将无人机视为质点模型;然后论文介绍了经典的二维局部FRAS静态人工势能场,并建立了改进的3DAPF。在此基础上,论文结合约束动力学理论,通过引入拉格朗日乘子建立了三维虚拟力环境下基于约束动力学理论的无人机编队路径规划与队形保持算法。针对编队无人机对规划航路的跟踪问题,结合已规划的航路曲线和F450四旋翼无人机运动学模型,提出了新的无人机轨迹跟踪算法。首先,论文根据对轨迹跟踪的约束要求,介绍并推导了经典的LQR轨迹跟踪算法,然后结合反步控制(Backstepping)与Sigma-Pi神经网络提出基于BSP-ANN(反步神经网络)的无人机航路跟踪算法。最后,采用不同跟踪方法对已规划航路进行仿真验证和对比分析。最后,针对以上所提出的算法,给出了基于ARM与UWB定位的无人机编队飞行验证平台方案,论文给出了整个平台的整个平台的方案、系统组成与工作原理、飞控平台的搭建、地面测控系统开发以及器件的选取等内容。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V249;V279
【图文】：

无人机,编队飞行,机器学习,人机

编队无人机航路规划与轨迹跟踪技术研究区域全方位数据信息获取方面，采用多机协同编队的方式执行既定侦察、搜索等任务时，由于编队中的每个无人机携带着与任务相对应的侦测机载设备，每个机载侦测设备都可以对指定的目标区域从不同的角度完成数据采集和信息融合等功能。通过编队无人机之间的数据共享，根据不同角度的数据信息可完成不同角度下的目标区域三维立体信息，从而使地面人员可以全方位的分析整个目标区域的态势。最终，可有效提高探测信息的逼真度从而更详细的获取目标点的全部信息，增强对目标点地识别能力[8]。最后在执行空间中警戒、目标敌机驱离等任务方面，采用多机编队对入侵目标进行伴飞来完成目标的驱离，同时对目标能够起到很好的震慑作用。在执行空地、空空目标打击时，采用多机编队可显著提高载弹量同时从不同的方向对目标点进行打击，扩大了打击范围，增强了对战场的威胁的毁伤能力，还可以提高了无人机的突防能力。在无人机进行编队飞行执行相关的任务时，要求编队中各个无人机相互之间保持特定的姿态与位置关系，以编队队形来很好的完成指定的任务[9]。多无人机保持特定的编队队形的实际飞行效果，如图 1.1 所示。

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南京航空航天大学硕士学位论文无人机最先完成了无人机的地面遥控的双机编队飞行。相比较于美国无人机编队飞行的研究，英国空军的研究相对稍迟一点，他们将有人机与无人机相结合于 2007 年完成了模拟协同作战实验。最终完成了采用一架经过改装的“狂风”战斗轰炸机指挥 3 架“模拟机”（由 BAC-111 改装），对地面移动目标实施了模拟攻击。随着“全球鹰”无人机的出现，凭借着“全球鹰”无人机的优异性能，美国空军再一次领跑无人机编队飞行领域，美国空军于 2012 年采用两架无人机完成了双机编队加油试验。至此，“全球鹰”无人机完成双机编队空中自助加油试验标志着美国在无人机编队飞行与协同执行任务方面取得了长足的进步和突破性的进展，在无人机协同编队飞行方面美国再一次领跑世界。美国在无人机编队协同方面取得的成果极大地刺激了法国。于是法国达索公司在 2014 年结合无人机和有人机，将阵风战斗机、猎鹰公务机以及神经元无人机进行组合，完成了有人机（无人机）协同编队飞行的试验画面。特别是神经元飞机在编队飞行中所展现的密集编队能力，充分说明了法国在无人机编队飞行方面的技术实力和系统操作能力。另外，美国计划于 2020 年将编队无人机技术成熟运用于大规模对地打击、空中侦察等战术应用。

【参考文献】