四旋翼飞行器编队控制系统设计与实现

发布时间：2020-06-28 09:59

【摘要】：四旋翼飞行器编队在军事民用领域都有广泛的应用,本文研究四旋翼飞行器编队的方法,主要包括四旋翼飞行器系统信息估计与控制、队形保持与跟踪和队形变换控制,以及编队控制系统软硬件平台搭建并完成编队实验验证。论文的主要工作如下:首先,给出空间坐标系定义和转换关系;建立四旋翼飞行器动力学模型并给出带有不平衡负载的飞行器控制问题的数学描述;建立信息流模型并给出编队控制问题的数学描述。其次,研究四旋翼飞行器系统信息融合估计和控制问题。分析姿态传感器和测高传感器的噪声特性,考虑环境适应性设计了融合滤波算法;针对不平衡负载产生的重心偏移问题,给出重心位置实时辨识方法,并设计基于重心偏移补偿的位置控制器和姿态控制器。再次,设计基于信息一致性的分布式队形保持与跟踪控制算法。根据信息拓扑结构设计一致性队形保持控制形式,并证明闭环编队控制系统在通信延迟条件下的收敛性;提出基于人工势场法设计队形保持与跟踪控制设计方法;仿真结果说明了该算法的可行性和有效性。然后,研究编队队形变换中的路径规划算法,将该问题分解为协同目标分配和同时轨迹规划问题。提出多目标分配问题的优化指标,并给出基于遗传算法的目标分配方法;提出基于多约束优化的全局时间最优轨迹规划方法;提出基于动态窗口采样的局部轨迹规划方法;提出全局和局部相结合的队形变换轨迹规划策略;仿真结果说明了队形变换轨迹规划算法的可行性和有效性。最后,搭建编队实验验证平台并完成算法实现。搭建了编队控制实验的软硬件平台;设计了四旋翼飞行器轨迹跟踪控制、队形保持控制和队形变换控制实验,实验结果和分析说明了所提出算法的可行性和有效性。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V249.1
【图文】：

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哈尔滨工业大学工程硕士学位论文速度完成队形变换。(4) 考虑队形保持中的通信约束，即在队形保持控制过程中根据需求合理设计系统的通信拓扑结构，缓解了大规模集群无人机的通信网络压力，提高了系统的适应性和应用范围。1.2 国内外研究现状及发展状况1.2.1 四旋翼无人机编队发展状况编队控制技术最早应用于卫星的协同覆盖，从而减小卫星工作的成本，早在 21 世纪初，就被美国 NASA 评为未来军事领域的核心技术。随着四旋翼无人机不断发展成熟，其协同编队也应运而生，近年来，四旋翼无人机协同编队是世界范围内对学术团体很有吸引力的课题，并发展迅速[2]。图 1-1 为无人机协同编队的学术发展趋势。

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图 1-2 宾夕法尼亚大学无人机编队实验苏黎世联邦理工学院专注于将四旋翼无人机集群编队应用于协同运输任务中，图 1-3 中的“Flying Machine Arena”项目中，通过多个飞行器的协作开展了灵活的协同运输任务[9]，此外，该团队也成功将合作无人机应用于协同建造任务中[10]，值得注意的是，该团队对无人机的协同编队控制研究仍然采用集中式控制策略。图 1-3“Flying Machine Arena”编队项目

【参考文献】