高原狭窄区域下多无人机协同飞行控制

发布时间：2020-09-01 08:25

　　随着作战环境复杂性和多样性的不断提高,单架无人机执行任务时存在一些不可避免的限制,多无人机协同编队飞行技术应运而生,并且受到了广泛的关注。其中,多无人机编队集结和编队队形保持控制是编队飞行技术中的关键问题。本文针对编队集结和编队保持过程中涉及到的多无人机协同航路规划、到达时间一致性以及固定队形保持等问题进行了分析和研究,给出了有效的优化方案和策略。针对高原山区这一特殊环境,建立了对应的地形模型和风场模型,分析了单架无人机飞行中受到的自身约束和多无人机协同飞行时受到的空间与时间约束。在多无人机编队集结技术的研究中,为提高集结过程中航路规划的质量和效率,提出了一种改进的自适应柯西变异鸽群优化算法,详细介绍了算法的原理和改进思路,结合解空间预处理策略,给出了具体的多无人机协同航路规划步骤。为保证多无人机能够在规定的时间内到达集结区域,采用航路调整和速度调整策略,根据集结时间和各无人机位置不断进行航程和速度的调节,从而完成编队集结任务。针对多无人机编队保持控制问题,在建立了合适的通信拓扑结构的基础上,提出一种基于二阶一致性理论的多无人机编队队形保持控制算法,选取速度和位置作为协同变量,各无人机可根据编队参考点和其它无人机的位置和速度信息,通过对自身速度、航向和俯仰角的调整来保持编队队形的稳定。为适应高原狭窄山区的飞行环境,在编队控制器中加入协同修正技术,对无人机间协同误差和测量误差进行抑制,减少了外界干扰和误差对编队飞行的影响。本文进行了三架固定翼无人机的编队飞行仿真实验,通过实验,验证了本文所提出的编队集结策略和编队队形保持方法的有效性和可行性。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V279;V249.1
【部分图文】：

无人机

1.1 论文的研究背景和意义无人机（UnmannedAerialVehicle，UAV）是指由动力驱动、可利用无线电遥控设备进行操纵的无人驾驶飞行器，相比于传统的有人驾驶飞机，无人驾驶飞机具有体积小、质量轻、机动性好等显著优点，无人机不需要驾驶员的这一特点不仅避免了人员伤亡风险，还降低了飞机结构设计的要求[1]。随着国内外无人机相关技术的发展，无人机在尺寸、外形、质量、航程、任务执行能力等方面都得到了改进，在军用和民用方面都发挥了巨大的作用，无人机被广泛应用于军事作战、消防救援、农业植保、地理测绘和影视拍摄等方面[2]。近几十年，无人机发展迅猛，世界各国越来越多的学者投入到无人机相关技术的研究中。如 2003 年的伊拉克战争中，出现的“全球鹰”、“沙漠鹰”等无人机，在作战侦察和搜索、精准打击方面发挥着重要的作用；2013年美国研制的世界首架 X-47B 无人机从 “乔治布什号”航母上成功弹射起飞，该无人机是人类历史上第一架完全电脑操纵、不需人工干预的喷气式无人机；2017 年中国自主研制的“翼龙II”无人机完成首飞，“翼龙 II”无人机有着体积轻盈、长航时、查打兼备和用途广泛等特点，性能达到国际无人机领域的先进水平。图 1.1（a）为 X-47B 无人机，图 1.1（b）是我国“翼龙II”无人机。目前，单架无人机的飞行控制技术研究已较为成熟。

无人机

术研发强国的研究热点。世界各国众多研究机构和学者专家对多无人机编队涉及的子技术展开了相关研究，这些研究大多集中在无人机编队队形构建、协同控制及编队系统抗干扰方面，提出了许多可行的控制方法，在理论和工程应用方面都取得了显著的成果和突破。在理论方面，美国是开展无人机协同编队技术研究最早的国家，早在 20 世纪初，美国便首次将无人机编队飞行的研究计划（AFF 计划），列入到美国国家航天局于 1999 年启动的“革命性概念计划”中，该计划主要包括美国国家航天局认为能够使军事领域发生革命性变化的一些创新性研究课题[7]。国内的无人机编队技术研究起步较晚，但国内在无人机编队飞行方面的理论研究也取得了很大的突破和进展，近年来国内众多学者在 Control and Dynamics、Journal of Aeronautics 等著名期刊上发表了大量与多无人机编队相关的文章，这些研究都极大地推动了无人机编队技术的发展。在工程方面，2012 年美国研制的两架新型“全球鹰”无人机在 20000 米高的太平洋上空成功完成了空中加油实验，如图 1.3（a）所示，此实验的成功，预示着将来无人机编队势必会在战场上异军突起。2015 年 1 月，中国自主研制的两架“翼龙”无人机进行了首次编队飞行。如图 1.3（b）所示，两架无人机顺次起飞，实现了无人机编队操纵系统智能化，在不需要人工干预的情况下完成了试飞实验，通过此试飞实验，向全世界展示了我国无人机编队技术水平和军事技术水平的提升。

高原山区,飞行环境

队协同控制问题提供必要的帮助。在气候方面，高原山区平均海拔在 4000m以上，在海拔较高的地区，空气稀薄和气压较低，导致天气情况不稳定，会经常出现大风、低温等天气状况；在地形方面，高原山区到处遍布着山峰，无人机航线沿途山势陡峭，部分山峰高度相对山谷达到了上千米，山峰之间距离较小，平坦区域较为狭窄[47]。经统计，一年中高原地区低云日数居多，其高度一般在相对地面 1000m至 1500m的范围，通常这些区域容易降雨或降雪。每年的冬季和春季，由于温度变化率的升高，高原地区会出现较为频繁的大风天气，风向和风速变化也较为明显，受到地理和地貌特征的影响，还会出现一定的风场乱流现象。记录数据表明，高原地区的地面风速最高可达到 10 m /s，相比之下，高空风速更大，在相高 1000m的位置，风速最高可达 20 m /s，主要的风场方向为西北方向。此外，在连续山脉附近会存在扰动气流，这种扰动气流的强度和不同时间段的气温、风速大小、风场方向以及山脉的分布特点有着直接联系。这种复杂的风场和气流，会对无人机的飞行安全和协同稳定性带来一定的隐患。一年中的大多数时间，高原地区的气温都在0 C 以下，高海拔地区气温较低，气压较大，发动机推力大小受到了一定的影响，海拔越高的大气层，空气越稀薄，发动机推力可能无法提供使无人机平稳飞行的能力，这就给无人机的飞行高度造成了很大限制。图 2.1（a）为青藏高原地区飞行试验时起飞阵地实景图，图 2.1（b）为无人机巡航区域实景。

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