多飞行器的协同搜索路径规划与控制

【摘要】：本文以国际空中机器人大赛的第8代任务为背景,主要研究协同搜索路径规划与控制算法设计问题。从多机协同路径规划的角度出发,对于协同覆盖方法中的STC方法与CAPT方法进行改进,并且基于改进STC方法以及改进CAPT方法进行路径规划算法的设计。从单机路径规划与路径跟踪控制的角度出发,基于Null-Space方法设计位置跟踪和速度跟踪控制算法。本文主要研究工作如下:首先,建立四旋翼飞行器动力学模型并给出协同搜索路径规划与控制问题的数学描述。定义用于建模及问题描述的坐标系并给出转换关系;根据动力学原理建立四旋翼飞行器动力学模型并对模型进行简化;将路径规划与控制问题按多机与单机两个层面划分为路径规划问题与路径跟踪控制问题,并给出两类问题的数学描述。其次,设计基于协同覆盖的搜索路径规划算法。考虑给定的区域和目标点的最短时间覆盖和防止碰撞问题,提出一种基于改进STC方法的区域覆盖路径规划算法和一种基于改进CAPT方法的目标点覆盖路径规划算法,通过仿真测试验证两类路径规划算法的有效性。然后,设计基于Null-Space方法的路径跟踪控制算法。考虑路径跟踪和对于未知运动障碍物的避障问题,提出一种基于Null-Space方法的路径跟踪控制算法,对应避障以及对应路径跟踪的速度指令通过Null-Space方法进行组合,实现避障和路径跟踪。通过仿真测试验证路径跟踪控制算法的有效性。最后,实现协同搜索路径规划与控制算法,并对于算法进行仿真测试,仿真测试结果表明,所提出的协同搜索路径规划与控制算法是有效的。