无人机编队飞行控制器关键技术的研究

发布时间：2017-09-06 11:07

  本文关键词：无人机编队飞行控制器关键技术的研究

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【摘要】：多无人机机协同编队飞行相对单机(单架无人机)飞行而言,无论是完成任务的成功率上还是在实效性都得到了显著提高,在一定程度上拓宽了无人机的应用范围。无人机的广泛用途与编队飞行方式的种种优点,使得无人机编队飞行这一研究课题得到了各界的广泛重视,是未来无人机飞行技术的发展趋势。本文主要以无人机编队飞行为研究背景,对无人机编队飞行不同过程的控制律进行研究与分析。首先,简要介绍了本文的主要控制算法——智能体一致性算法。其次,对无人机编队的集结过程进行分析。由于纵向与横侧向的解耦特性,本文对集结过程的纵向同步与横侧向同步分别进行研究。基于一致性算法,对两个方向的无人机同步运动分别设计控制律。同时,根据实际情况与无人机性能等限制条件,相应地提出了三种集结策略,并且该集结策略在已交付的预研项目中也得到应用。本章对集结过程纵向与横侧向的两个方向同步控制律的设计,以及此过程中两个方向协同变量的选取方式是本文的创新点所在,该设计进一步简化了传统的集结控制律设计。然后,继集结过程之后,分析了紧密编队与编队切换过程。紧密编队过程解决了集结过程中遗留下来的编队松散、速度可能不一致等问题。接着,在编队稳定后,通过改变协同位置变量的方法,可完成队形切换飞行动作。此外,为了更加精确的控制无人机编队飞行,本文设计了模糊PID协同误差处理器,以控制减小协同误差。本章引入的协同误差处理器,优化了以往编队控制过程中通常忽略定位、导航等误差的处理方式。最后,分别设计多个测试用例,对集结过程和紧密编队以及编队切换过程进行了仿真,仿真结果表明本文设计的控制律是切实可行的,为工程应用提供了设计参考。
【关键词】：无人机 编队 一致性算法 集结 紧密编队 队形变化
【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】：2016
【分类号】：V279;V249.1
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-13
• 第一章 绪论13-23
• 1.1 课题的研究背景及意义13-18
• 1.1.1 无人机的研究背景13-14
• 1.1.2 无人机编队的发展概述14-16
• 1.1.3 无人机编队的概念和意义16-18
• 1.2 国内外研究现状18-21
• 1.2.1 国外研究现状18-20
• 1.2.2 国内研究现状20-21
• 1.3 本文主要研究内容21-23
• 第二章 智能体信息一致性理论研究23-36
• 2.1 引言23
• 2.2 一致性理论的发展23-24
• 2.3 图论相关基础知识24-27
• 2.3.1 图的定义24-26
• 2.3.2 矩阵论相关知识26-27
• 2.4 线性系统的一致性稳定分析27-32
• 2.4.1 一阶系统的一致性稳定分析27-28
• 2.4.2 二阶以上系统一致性的稳定性分析28-32
• 2.5 无人机编队飞行中的一致性研究32-35
• 2.5.1 参考无人机平台32-33
• 2.5.2 坐标系的定义33-34
• 2.5.3 无人机编队研究34-35
• 2.6 本章小结35-36
• 第三章 无人机编队集结过程的控制方法研究36-45
• 3.1 引言36
• 3.2 无人机数学模型36-37
• 3.2.1 三维空间内质点运动动力学模型36
• 3.2.2 带自动驾驶仪的无人机运动动力学模型36-37
• 3.3 基于信息一致性理论的集结控制算法37-41
• 3.3.1 二阶一致性协议下的无人机高度同步38-39
• 3.3.2 二阶一致性协议下的无人机横侧向同步39-41
• 3.4 无人机编队集结策略的设计41-44
• 3.4.1 盘旋集结42-43
• 3.4.2 追赶集结43-44
• 3.4.3 混合集结44
• 3.5 本章小结44-45
• 第四章 无人机编队保持及切换过程的控制方法研究45-57
• 4.1 引言45
• 4.2 无人机编队常见队形结构及控制方法45-48
• 4.2.1 编队常见队形45-47
• 4.2.2 编队常见控制方法47-48
• 4.3 编队队形描述与紧密编队协同变量定义48-51
• 4.3.1 问题描述48-49
• 4.3.2 编队队形描述49-50
• 4.3.3 编队协同变量的定义50-51
• 4.3.4 编队协同误差定义51
• 4.4 基于模糊PID算法的协同误差处理器设计51-55
• 4.4.1 模糊PID控制器设计51-55
• 4.4.2 基于模糊PID的协同误差处理器设计55
• 4.5 无人机紧密编队控制律设计55-56
• 4.6 本章小结56-57
• 第五章 无人机集结及编队过程数学仿真与应用57-76
• 5.1 引言57
• 5.2 无人机集结过程仿真验证57-62
• 5.2.1 集结过程中的高度同步仿真57-59
• 5.2.2 横侧向同步过程仿真59-62
• 5.3 无人机三种集结策略仿真及工程应用62-66
• 5.3.1 盘旋集结方式仿真62-63
• 5.3.2 追赶集结方式仿真63-64
• 5.3.3 混合集结方式仿真64-65
• 5.3.4 无人机集结策略在工程中的应用65-66
• 5.4 无人机编队保持及切换仿真66-75
• 5.4.1 无人机紧密编队仿真67-71
• 5.4.2 编队队形变化仿真71-75
• 5.5 本章总结75-76
• 第六章 总结与展望76-78
• 6.1 总结76-77
• 6.2 未来与展望77-78
• 参考文献78-81
• 致谢81-82
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文82

【参考文献】

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本文编号：802760