无人机多机编队飞行控制技术研究

发布时间：2020-07-27 17:08

【摘要】：无人机因其优越的特性在军事和民用领域获得了越来越广泛的应用,针对多无人机编队控制技术的研究也成为航空领域的研究热点。本文围绕多无人机编队的控制问题,设计了基于PID控制算法的编队控制器、基于速度矢量场的防碰撞算法以及编队集结、队形保持和变换策略,保证无人机编队安全可靠的飞行。首先,在分析无人机控制系统结构、明确控制方法的基础上,给出了leader-follower编队的制导信息计算方法,设计了位置/速度回路的横侧向、纵向和速度方向控制律,并分析了控制器的控制品质。其次,为了保证多机编队的安全性,将leader-follower编队、Motor Schema结构和速度矢量场法相融合,建立了速度矢量场数学模型,使编队无人机可以根据实际飞行环境调整自身的运动方向。然后,根据最大值优先分配原则,给出了集结点分配算法,制定了编队集结策略;在队形保持策略中,针对误差传递迭代问题,结合虚拟结构法,给出了改进的leader-follower编队结构;在队形变换策略中,编队无人机根据变换过程的复杂度选择不同的变换策略,在保证安全之余提高任务执行效率。最后,搭建了运行于.NET Framework下的仿真环境,完成了多无人机编队飞行仿真。仿真结果验证了编队控制器具有良好的控制品质和控制精度,速度矢量场可以有效避免碰撞的发生,队形控制策略满足设计需求,可以实现队形集结、保持和变换任务。
【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】：2019
【分类号】：V279;V249.1
【图文】：

军用无人机,无人机

无人机可以作为靶机，也可以执行侦查与打击任务。在越南战争中，美国研制的“火蜂”无人机执行了多次窃听、电台干扰等飞行任务，有效遏制了越南军队的战斗力[2]以色列的“侦察兵”是一种小型远程操纵无人机，在黎巴嫩战争中“侦察兵”作为主力无人机执行空中侦查任务，为以色列军方提供信息，协助军方摧毁了叙利亚防空导弹系统[3]。美国 200年启用的“全球鹰”是一款大型战略级侦察机，具备飞行时间长，距离远，探测范围广等优点在伊拉克战争中，“全球鹰”无人机提供了敌方防空系统图像，协助军方摧毁了伊拉克地空导弹系统[4]。美国的“捕食者”无人机集侦查与打击功能于一体，在阿富汗、巴基斯坦、伊拉克等地区多次参与实战，有效打击了恐怖组织[5]。“翼龙”是我国自主研发的察打一体无人机，可用于执行侦查、打击、搜索等多种任务，具备长航时、任务载荷多样等优点。该无人机曾经协助埃及打击恐怖分子，并于 2014 年参与联合反恐演习，在国内外赢得了很高的声誉[6]。(a)“火蜂”无人机 (b)“侦察兵”无人机 (c)“全球鹰”无人机

航迹角,响应特性曲线,时频

南京航空航天大学全日制专业硕士学位论文20.024352( 81.73)( 1.996 1.42)( 5.623)( 2.343)( 0.9772)( 0.7808)gs s ss s s s s (3. 15)在内环滚转角已经可以实现无静差控制情况下，航迹角的控制采用比例结构便可以得到较好的响应，控制律表达式为:( )g A gK (3. 16)式中，g 表示航迹角给定量。由根轨迹法经过多次调试可得到 1.5AK 。航迹角回路的阶跃响应曲线和开环伯德图如图3. 10 所示。

侧向速度,响应特性曲线,时频

无人机多机编队飞行控制技术研究为了抑制控制偏差，侧向速度回路采用比例-积分结构，其控制律表达式为：( ) ( )Y IYg A g A g K Y Y K Y Y dt (3.18)由根轨迹法可设计控制增益 = 1.2YAK , 0.3IYAK 。侧向速度控制回路的阶跃响应曲线和开环伯德图如图 3. 11 所示。

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