【摘要】：無人機因其優(yōu)越的特性在軍事和民用領(lǐng)域獲得了越來越廣泛的應(yīng)用,針對多無人機編隊控制技術(shù)的研究也成為航空領(lǐng)域的研究熱點。本文圍繞多無人機編隊的控制問題,設(shè)計了基于PID控制算法的編隊控制器、基于速度矢量場的防碰撞算法以及編隊集結(jié)、隊形保持和變換策略,保證無人機編隊安全可靠的飛行。首先,在分析無人機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、明確控制方法的基礎(chǔ)上,給出了leader-follower編隊的制導信息計算方法,設(shè)計了位置/速度回路的橫側(cè)向、縱向和速度方向控制律,并分析了控制器的控制品質(zhì)。其次,為了保證多機編隊的安全性,將leader-follower編隊、Motor Schema結(jié)構(gòu)和速度矢量場法相融合,建立了速度矢量場數(shù)學模型,使編隊無人機可以根據(jù)實際飛行環(huán)境調(diào)整自身的運動方向。然后,根據(jù)最大值優(yōu)先分配原則,給出了集結(jié)點分配算法,制定了編隊集結(jié)策略;在隊形保持策略中,針對誤差傳遞迭代問題,結(jié)合虛擬結(jié)構(gòu)法,給出了改進的leader-follower編隊結(jié)構(gòu);在隊形變換策略中,編隊無人機根據(jù)變換過程的復(fù)雜度選擇不同的變換策略,在保證安全之余提高任務(wù)執(zhí)行效率。最后,搭建了運行于.NET Framework下的仿真環(huán)境,完成了多無人機編隊飛行仿真。仿真結(jié)果驗證了編隊控制器具有良好的控制品質(zhì)和控制精度,速度矢量場可以有效避免碰撞的發(fā)生,隊形控制策略滿足設(shè)計需求,可以實現(xiàn)隊形集結(jié)、保持和變換任務(wù)。
【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：V279;V249.1
【圖文】：

無人機可以作為靶機，也可以執(zhí)行偵查與打擊任務(wù)。在越南戰(zhàn)爭中，美國研制的“火蜂”無人機執(zhí)行了多次竊聽、電臺干擾等飛行任務(wù)， 有效遏制了越南軍隊的戰(zhàn)斗力[2]以色列的“偵察兵”是一種小型遠程操縱無人機，在黎巴嫩戰(zhàn)爭中“偵察兵”作為主力無人機執(zhí)行空中偵查任務(wù)，為以色列軍方提供信息，協(xié)助軍方摧毀了敘利亞防空導彈系統(tǒng)[3]。美國 200年啟用的“全球鷹”是一款大型戰(zhàn)略級偵察機，具備飛行時間長，距離遠，探測范圍廣等優(yōu)點在伊拉克戰(zhàn)爭中，“全球鷹”無人機提供了敵方防空系統(tǒng)圖像，協(xié)助軍方摧毀了伊拉克地空導彈系統(tǒng)[4]。美國的“捕食者”無人機集偵查與打擊功能于一體，在阿富汗、巴基斯坦、伊拉克等地區(qū)多次參與實戰(zhàn)，有效打擊了恐怖組織[5]�！耙睚垺笔俏覈灾餮邪l(fā)的察打一體無人機，可用于執(zhí)行偵查、打擊、搜索等多種任務(wù)，具備長航時、任務(wù)載荷多樣等優(yōu)點。該無人機曾經(jīng)協(xié)助埃及打擊恐怖分子，并于 2014 年參與聯(lián)合反恐演習，在國內(nèi)外贏得了很高的聲譽[6]。(a)“火蜂”無人機 (b)“偵察兵”無人機 (c)“全球鷹”無人機

南京航空航天大學全日制專業(yè)碩士學位論文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)在內(nèi)環(huán)滾轉(zhuǎn)角已經(jīng)可以實現(xiàn)無靜差控制情況下，航跡角的控制采用比例結(jié)構(gòu)便可以得到較好的響應(yīng)，控制律表達式為:( )g A gK (3. 16)式中，g 表示航跡角給定量。由根軌跡法經(jīng)過多次調(diào)試可得到 1.5AK 。航跡角回路的階躍響應(yīng)曲線和開環(huán)伯德圖如圖3. 10 所示。

無人機多機編隊飛行控制技術(shù)研究為了抑制控制偏差，側(cè)向速度回路采用比例-積分結(jié)構(gòu)，其控制律表達式為：( ) ( )Y IYg A g A g K Y Y K Y Y dt (3.18)由根軌跡法可設(shè)計控制增益 = 1.2YAK , 0.3IYAK 。側(cè)向速度控制回路的階躍響應(yīng)曲線和開環(huán)伯德圖如圖 3. 11 所示。

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