多四旋翼无人飞行器编队控制方法研究
发布时间：2021-03-29 13:31
近年来,学术界关于四旋翼无人飞行器的研究十分广泛。它因结构简单、机动灵活等特点而被大量应用于灾难救援、军事侦察、快递运输、航空摄影等领域。然而随着研究的不断深入,单架四旋翼无人飞行器载荷有限和执行复杂任务的容错能力不足等缺陷也日益显现。因而,多架四旋翼无人飞行器编队协作执行任务逐渐成为学者们研究的重点。本文以多架四旋翼无人飞行器系统作为研究对象,对该系统的姿态协同、编队飞行和飞行中避碰及通讯保持等问题进行了研究。本文首先阐述了四旋翼无人飞行器编队的背景、研究现状和研究意义,并对其结构和飞行原理进行了分析。然后,基于双闭环控制的思想,建立了四旋翼无人飞行器系统模型,将其分为位置子系统和姿态子系统。基于该数学模型,分别研究了多四旋翼飞行器姿态协同和位置编队控制问题。具体来说,对于四旋翼飞行器的姿态子系统,首先设计了多四旋翼飞行器姿态协同控制器,实现多个四旋翼飞行器姿态同步。然后,基于齐次性理论,提出了一种有限时间姿态协同控制律,使得多个四旋翼无人飞行器系统的姿态可以在有限时间内达到同步。然后,针对四旋翼的位置和姿态子系统,基于比例微分控制和通讯拓扑图理论,分别提出了分布式位置编队控制策略和...
【文章来源】：合肥工业大学安徽省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
动物界的群体行为
合肥工业大学硕士学位论文2能最大化，同时提高了执行任务的效率和成功率。因此，四旋翼无人飞行器的编队控制受到了越来越多的学者们的关注[10-13]。(a)无人机(b)四旋翼无人飞行器图1.2无人机与四旋翼无人飞行器Fig1.2UAVandquadrotorUAV本文主要研究多四旋翼无人飞行器编队控制，这种控制系统在实际运用中需要解决很多问题：对于单架四旋翼无人飞行器，要解决的是飞行控制、数据通讯和姿态解算等问题；而对于多架四旋翼无人飞行器，还要解决编队队形控制、编队路径规划、编队通讯保持和避碰等问题。对多四旋翼无人飞行器编队控制的研究具有重要的应用价值和实践意义，但多飞行器系统本身较为复杂、且与多种学科领域交叉，因此，该研究是充满困难的。1.2国内外研究现状1.2.1四旋翼无人飞行器编队发展现状早在20世纪初，四旋翼无人飞行器就已问世，早期的飞行器由于缺少基本的控制系统，只有单一的机械动力装置，所以飞行器的稳定性较差[14]。在之后的几十年，由于缺乏飞控理论支撑，飞行器的发展较为缓慢。直到20世纪50年代，澳大利亚学者Draganflye和Mckerrow完成了四旋翼无人飞行器的数学建模[15]，四旋翼无人飞行器的研究进入了飞行控制时代，随着越来越多的学者加入到四旋翼飞控算法的研究中，关于四旋翼飞控的理论成果也越来越丰富。随着现代科技水平的飞速发展，特别是微机电系统（MEMS）和微处理器（MCU）的迅猛发展，使得四旋翼飞行器具有实际的应用价值。近十年来，飞行器的硬件结构和性能的全面优化，四旋翼飞行器引起了广泛关注，飞控系统的研究得到了空前发展，飞控理论算法和应用越来越成熟，研究方向也转向智能化和实用化发展。在单个四旋翼无人飞行器控制的基础上，经过国内外众多研究机构和企业的深入研究，多四旋翼系统
第一章绪论3的场景中。如图1.3所示，宾夕法尼亚大学Vijay和他的团队通过观察总结了三个重要的自然协作工作的原理：独立自主、临近感知、匿名。同时在此基础上发明了飞行器矩阵（SWARMS），每台飞行器都可以不受中央系统控制在此矩阵中独立完成任务，仅根据旁边飞行器的反应就可以快速作出调整[16]。值得注意的是，该团队对于飞行器编队采用的是分布式控制策略。图1.3宾夕法尼亚大学SWARMS无人机矩阵Fig1.3UniversityofPennsylvaniaswarmsUAVmatrix苏黎世联邦理工学院的RaffaelloD"Andrea教授一直专注于四旋翼无人飞行器编队协同控制，基于集中式控制策略，完成了多四旋翼无人飞行器组装建筑、多四旋翼飞行器架吊桥等有意义的编队控制实验[17-19]。如图1.4是Raffaello教授在TED演讲台上展示三个四旋翼无人飞行器合作投球与接球的实验。图1.4苏黎世联邦理工学院四旋翼无人飞行器投球与接球Fig1.4ETHcooperativequadrotorballthrowingandcatching
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于干扰观测器的分布式四旋翼编队跟踪控制[J]. 窦立谦,陈涛,毛奇. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2018(08)
[2]基于自适应通信拓扑四旋翼无人机编队重构控制[J]. 马思迁,董朝阳,马鸣宇,王青. 北京航空航天大学学报. 2018(04)
[3]四旋翼飞行器综述[J]. 孙浩楼. 电子世界. 2017(10)
[4]无人机发展综述[J]. 张云秀,曾庆达,张炜. 河南科技. 2017(09)
[5]基于一致性理论的四旋翼无人机分布式编队控制方法[J]. 李磊,李小民,郑忠贵,张国荣. 电光与控制. 2015(10)
[6]基于势函数的多智能体避撞队形控制[J]. 姚立强,宋艳荣,张术东. 烟台大学学报(自然科学与工程版). 2014(01)
[7]Cooperative localization against GPS signal loss in multiple UAVs flight[J]. Yaohong Qu1,2 and Youmin Zhang2,* 1.School of Automation,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,P.R.China;2.Department of Mechanical and Industrial Engineering,Concordia University,Montreal H3G 1M8,Canada. Journal of Systems Engineering and Electronics. 2011(01)
博士论文
[1]多旋翼飞行器建模与飞行控制技术研究[D]. 杨成顺.南京航空航天大学 2013
[2]多UAV协同任务资源分配与编队轨迹优化方法研究[D]. 李远.国防科学技术大学 2011
本文编号：3107629
【文章来源】：合肥工业大学安徽省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
动物界的群体行为
合肥工业大学硕士学位论文2能最大化，同时提高了执行任务的效率和成功率。因此，四旋翼无人飞行器的编队控制受到了越来越多的学者们的关注[10-13]。(a)无人机(b)四旋翼无人飞行器图1.2无人机与四旋翼无人飞行器Fig1.2UAVandquadrotorUAV本文主要研究多四旋翼无人飞行器编队控制，这种控制系统在实际运用中需要解决很多问题：对于单架四旋翼无人飞行器，要解决的是飞行控制、数据通讯和姿态解算等问题；而对于多架四旋翼无人飞行器，还要解决编队队形控制、编队路径规划、编队通讯保持和避碰等问题。对多四旋翼无人飞行器编队控制的研究具有重要的应用价值和实践意义，但多飞行器系统本身较为复杂、且与多种学科领域交叉，因此，该研究是充满困难的。1.2国内外研究现状1.2.1四旋翼无人飞行器编队发展现状早在20世纪初，四旋翼无人飞行器就已问世，早期的飞行器由于缺少基本的控制系统，只有单一的机械动力装置，所以飞行器的稳定性较差[14]。在之后的几十年，由于缺乏飞控理论支撑，飞行器的发展较为缓慢。直到20世纪50年代，澳大利亚学者Draganflye和Mckerrow完成了四旋翼无人飞行器的数学建模[15]，四旋翼无人飞行器的研究进入了飞行控制时代，随着越来越多的学者加入到四旋翼飞控算法的研究中，关于四旋翼飞控的理论成果也越来越丰富。随着现代科技水平的飞速发展，特别是微机电系统（MEMS）和微处理器（MCU）的迅猛发展，使得四旋翼飞行器具有实际的应用价值。近十年来，飞行器的硬件结构和性能的全面优化，四旋翼飞行器引起了广泛关注，飞控系统的研究得到了空前发展，飞控理论算法和应用越来越成熟，研究方向也转向智能化和实用化发展。在单个四旋翼无人飞行器控制的基础上，经过国内外众多研究机构和企业的深入研究，多四旋翼系统
第一章绪论3的场景中。如图1.3所示，宾夕法尼亚大学Vijay和他的团队通过观察总结了三个重要的自然协作工作的原理：独立自主、临近感知、匿名。同时在此基础上发明了飞行器矩阵（SWARMS），每台飞行器都可以不受中央系统控制在此矩阵中独立完成任务，仅根据旁边飞行器的反应就可以快速作出调整[16]。值得注意的是，该团队对于飞行器编队采用的是分布式控制策略。图1.3宾夕法尼亚大学SWARMS无人机矩阵Fig1.3UniversityofPennsylvaniaswarmsUAVmatrix苏黎世联邦理工学院的RaffaelloD"Andrea教授一直专注于四旋翼无人飞行器编队协同控制，基于集中式控制策略，完成了多四旋翼无人飞行器组装建筑、多四旋翼飞行器架吊桥等有意义的编队控制实验[17-19]。如图1.4是Raffaello教授在TED演讲台上展示三个四旋翼无人飞行器合作投球与接球的实验。图1.4苏黎世联邦理工学院四旋翼无人飞行器投球与接球Fig1.4ETHcooperativequadrotorballthrowingandcatching
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于干扰观测器的分布式四旋翼编队跟踪控制[J]. 窦立谦,陈涛,毛奇. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2018(08)
[2]基于自适应通信拓扑四旋翼无人机编队重构控制[J]. 马思迁,董朝阳,马鸣宇,王青. 北京航空航天大学学报. 2018(04)
[3]四旋翼飞行器综述[J]. 孙浩楼. 电子世界. 2017(10)
[4]无人机发展综述[J]. 张云秀,曾庆达,张炜. 河南科技. 2017(09)
[5]基于一致性理论的四旋翼无人机分布式编队控制方法[J]. 李磊,李小民,郑忠贵,张国荣. 电光与控制. 2015(10)
[6]基于势函数的多智能体避撞队形控制[J]. 姚立强,宋艳荣,张术东. 烟台大学学报(自然科学与工程版). 2014(01)
[7]Cooperative localization against GPS signal loss in multiple UAVs flight[J]. Yaohong Qu1,2 and Youmin Zhang2,* 1.School of Automation,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,P.R.China;2.Department of Mechanical and Industrial Engineering,Concordia University,Montreal H3G 1M8,Canada. Journal of Systems Engineering and Electronics. 2011(01)
博士论文
[1]多旋翼飞行器建模与飞行控制技术研究[D]. 杨成顺.南京航空航天大学 2013
[2]多UAV协同任务资源分配与编队轨迹优化方法研究[D]. 李远.国防科学技术大学 2011
本文编号：3107629
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