四旋翼无人机编队巡航飞行控制方法研究

发布时间：2017-05-11 23:07

  本文关键词：四旋翼无人机编队巡航飞行控制方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着任务复杂度的提升,单个的UAV已经不能满足越来越多样化的任务要求。多UAV系统在这样的背景下应运而生,并受到国内外学者的广泛关注。其中,UAV编队飞行控制问题是多UAV系统的一个重要研究方向。本文以四旋翼为研究对象,提出了一种基于编队队形保持和UAV轨迹跟踪控制框架的控制策略,解决了UAV编队巡航飞行控制问题。首先,本文基于“主-从”结构编队飞行模式,给出了具体的四旋翼UAV编队飞行问题描述。为此,我们将编队飞行问题分解为两个子系统,即上层UAV编队队形保持控制子系统和底层UAV轨迹跟踪控制子系统。前者能够维持编队飞行过程中UAV的队形结构不变,后者能够保证主、从机UAV实时跟踪其期望轨迹。其次,结合PID和Backstepping方法设计了UAV编队飞行过程中的队形保持控制器。在仅考虑位置信息的情况下,根据主-从机UAV的相对运动学模型,分析确定了在编队飞行过程中主-从机UAV的垂向相对位置通道与横/纵向相对位置通道不存在耦合关系。分别采用PID控制和Backstepping方法,对主-从机UAV的垂向通道和横/纵向通道设计其队形保持控制器,获得了编队飞行过程中从机UAV为维持队形结构所需的期望速度指令信号。由此,将UAV编队飞行问题在队形保持的基础上,转化为底层单体UAV轨迹跟踪控制问题。最后,针对四旋翼UAV的Euler-Lagrange模型,研究了底层UAV轨迹跟踪控制问题。具体分析了飞行过程中UAV各状态量的耦合性、欠驱动性,建立了以姿态回路为内回路,位置回路为外回路的双回路控制结构。并将UAV模型划分为具有严格反馈形式的多通道控制结构:高度控制通道、偏航控制通道、滚转控制通道和俯仰控制通道。采用积分Backstepping方法设计UAV轨迹跟踪控制器,解决了编队飞行过程中各UAV的指令跟踪问题。以螺旋线和直线轨迹为例,对主-从机UAV三角形结构编队飞行过程进行仿真分析,验证了基于队形保持和UAV轨迹跟踪控制框架的编队飞行控制策略的有效性。
【关键词】：四旋翼UAV 编队飞行控制 “主-从”编队结构 反步控制
【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】：2015
【分类号】：V249.12
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 课题背景9-10
• 1.2 国内外研究现状10-15
• 1.3 主要内容15-17
• 第2章 基于主-从结构的UAV编队飞行问题描述17-30
• 2.1 引言17
• 2.2 UAV的模型建立17-24
• 2.2.1 坐标选取与变换18
• 2.2.2 UAV的力与力矩生成机制18-20
• 2.2.3 UAV的数学模型20-24
• 2.3 UAV编队飞行问题描述24-29
• 2.3.1“主-从”结构UAV编队队形保持问题描述25-28
• 2.3.2 主、从机UAV轨迹跟踪问题描述28-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第3章UAV编队队形保持控制器设计30-49
• 3.1 引言30
• 3.2 反步法介绍30-34
• 3.3 UAV队形保持控制器设计34-39
• 3.4 仿真结果分析39-48
• 3.5 本章小结48-49
• 第4章UAV轨迹跟踪控制器设计49-70
• 4.1 引言49
• 4.2 UAV轨迹跟踪控制器设计49-55
• 4.2.1 位置跟踪控制器设计51-53
• 4.2.2 姿态跟踪控制器设计53-55
• 4.3 仿真分析55-69
• 4.3.1 主机UAV轨迹跟踪仿真56-59
• 4.3.2 UAV编队飞行仿真59-69
• 4.4 本章小结69-70
• 结论70-71
• 参考文献71-76
• 致谢76

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 潘科炎;航天器编队飞行及其关键技术的开发[J];遥测遥控;2003年05期

2 林来兴,张洪华,车汝才;编队飞行区域性导航卫星和位置保持[J];宇航学报;2004年01期

3 ;未来五大客机新技术:V形编队飞行更省油[J];科技传播;2011年23期

4 ;未来客机:像鸟一样编队飞行[J];新科幻(科学阅读版);2012年11期

5 曾国强,陈永志;编队飞行稳定性及队形设计研究[J];装备指挥技术学院学报;2002年06期

6 曾国强,张育林;编队飞行队形设计一般化方法[J];中国空间科学技术;2003年01期

7 孙兰,许滨,张珩;航天器稀疏编队飞行的概念及其设计方法[J];中国空间科学技术;2003年02期

8 王世练,张尔扬;CCSDS Proximity-1及其在编队飞行小卫星群中的应用[J];遥测遥控;2003年03期

9 刘林,王海红,马剑波;关于星座小卫星的编队飞行问题[J];天文学报;2004年01期

10 马涛,郝云彩,马骏,周胜利;编队飞行卫星的星间跟踪与测量技术综述[J];航天控制;2005年03期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 袁长清;;航天器电磁编队飞行轨道和姿态终端滑模控制[A];The 5th 全国动力学与控制青年学者研讨会论文摘要集[C];2011年

2 彭良福;林云松;;编队飞行防撞系统的建模研究[A];2009年中国智能自动化会议论文集（第三分册）[C];2009年

3 林来兴;;小卫星星座与编队飞行三维定位系统和控制[A];全国第十二届空间及运动体控制技术学术会议论文集[C];2006年

4 禹凯;徐明;;编队飞行航天器的自主控制策略设计[A];北京力学会第20届学术年会论文集[C];2014年

5 黎康;;编队飞行卫星相对轨道动力学研究[A];提高全民科学素质、建设创新型国家——2006中国科协年会论文集（下册）[C];2006年

6 王黎沁;曾国强;胡敏;;编队飞行卫星碰撞概率及碰撞规避策略仿真分析[A];2009系统仿真技术及其应用学术会议论文集[C];2009年

7 倪娜;贾英民;;一种卫星平面圆形编队飞行的鲁棒控制方法[A];中国航空学会控制与应用第十二届学术年会论文集[C];2006年

8 苟兴宇;李克行;张斌;刘捷;董筠;;实践九号编队飞行轨控中的姿轨耦合与推力损失研究[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年

9 王正;朱兴动;张六韬;;三维空间无人机编队飞行控制模型[A];第八届全国动力学与控制学术会议论文集[C];2008年

10 杨凯;郑建华;吴霞;;编队飞行构形设计初始化及稳定性分析[A];中国空间科学学会空间探测专业委员会第十九次学术会议论文集（下册）[C];2006年

中国重要报纸全文数据库 前6条

1 记者李红;飞机编队飞行好处多多[N];科技日报;2002年

2 记者　王洪山、李宣良;我国将发射50多颗小卫星[N];人民日报;2006年

3 记者 冯志文;以研制可编队飞行的纳米级卫星[N];科技日报;2012年

4 杨孝文;机器昆虫将编队飞行，组建未来军团[N];中国国防报;2012年

5 本报记者 王卫东　特约记者 周敬波;陆航群鹰,此次飞行向海洋[N];解放军报;2011年

6 赵启洪 蒋龙 刘白;“低空猎鹰”牟春江[N];中国国防报;2012年

中国博士学位论文全文数据库 前7条

1 孟云鹤;近地轨道航天器编队飞行控制与应用研究[D];国防科学技术大学;2006年

2 韩龙;编队飞行航天器相对状态的立体视觉测量研究[D];中国科学技术大学;2007年

3 罗成;近地轨道空间飞行器编队飞行控制[D];国防科学技术大学;2006年

4 郑重;多航天器编队飞行分布式协同控制[D];哈尔滨工业大学;2014年

5 蒋方华;航天器编队飞行相对运动研究[D];清华大学;2009年

6 万婧;无人机自主编队飞行控制系统设计方法及应用研究[D];复旦大学;2009年

7 方挺;无人机协同编队飞行中的视觉感知关键技术研究[D];南京航空航天大学;2008年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 陈学坤;四旋翼无人机编队巡航飞行控制方法研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

2 郑红星;多杀伤器分离稳定与编队飞行控制研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

3 谢中秋;电磁编队飞行网络化控制方法研究[D];哈尔滨工业大学;2011年

4 张亚南;多弹编队飞行协同制导方法研究[D];哈尔滨工业大学;2014年

5 张尚强;编队飞行相对运动自主导航与控制研究[D];西北工业大学;2006年

6 祝淼;基于对偶四元数的编队飞行卫星螺旋修正算法研究[D];南京航空航天大学;2012年

7 李洋;航天器编队保持与姿态协同控制方法研究[D];哈尔滨工业大学;2010年

8 付世勇;基于对偶四元数的编队飞行卫星自主相对导航算法研究[D];南京航空航天大学;2010年

9 霍明英;编队飞行卫星物理仿真系统设计及分析[D];哈尔滨工业大学;2011年

10 余挺;微型飞行器编队飞行中的视觉相对导航方法研究[D];哈尔滨工业大学;2011年

  本文关键词：四旋翼无人机编队巡航飞行控制方法研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：358252