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《国防科学技术大学》 2016年
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基于拟态物理学的无人机编队控制与重构方法研究

王勋  
【摘要】:和单无人机相比,多无人机编队在灵活性、容错性和协作性上具有明显的优势,是未来无人机执行任务的重要模式。在应用需求的驱动下,无人机编队控制和重构问题已成为当前理论和工程研究的热点。传统的方法很难在灵活性、可扩展性、实时性等方面同时满足实际问题的需求;同时,关于无人机编队控制和重构方法,存在理论研究与实际应用脱节的问题。在此背景下,为探索灵活实用的无人机编队控制与重构方法,论文采用拟态物理学的思路对无人机编队控制与重构问题进行了理论和试验研究。主要工作及创新点如下:(1)深入分析了无人机编队控制及重构问题,提出了一种基于拟态物理学的分层解决方案。对无人机编队控制与重构问题进行了分析建模,分别从过程时间和控制层次的角度对无人机编队控制及重构问题进行了分解,将编队重构问题归纳为三种类型,分别是编队任务变化、无人机数量变化和环境变化引起的编队重构。从工程实现的角度将无人机编队及重构问题分解为4个层次的子问题:无人机底层控制、长机的轨迹跟踪与避障、编队控制、编队重构。给出一种基于拟态物理学思想的分层解决方案,包括:基于自抗扰控制的无人机底层控制、基于虚拟力的轨迹和路径跟踪引导律、液体球启发的编队控制方法和基于拟态物理学的编队重构策略。(2)提出了基于虚拟力的无人机轨迹和路径跟踪引导律,参数适应范围大且实现简单,可用于精确跟踪变曲率曲线和避开参考轨迹或路径上的障碍。针对Leader无人机的路径跟踪和避障问题,提出了一种基于虚拟力的无人机轨迹和路径跟踪引导律。考虑无人机的运动学模型,通过设计多个虚拟力计算期望的转向速率。该引导律可用于精确跟踪直线、圆和变曲率曲线。跟踪直线时等价于比例-微分控制;跟踪圆形或变曲率曲线时等价于反馈线性化方法。通过设计虚拟排斥力可以使无人机在跟踪参考轨迹或路径过程中避开障碍。拟态物理学的思想使得引导律计算简单,参数具有明确的物理意义,且适应范围大,从而使得该方法在实际应用中容易整定。算例仿真结果和硬件在回路试验结果验证了引导律的有效性。(3)提出了液体球启发的拟态物理学编队控制方法,计算简单易整定,分散式控制结构,能够实现任意可行队形编队。针对编队构成与保持问题,提出了一种液体球启发的拟态物理学编队控制方法。考虑质点模型,将编队建模为一个用虚拟弹簧网络模型描述的液体球。根据有无Leader,给出了液体球启发的Leader-follower编队控制方法和虚拟Leader编队控制方法,并分别给出了方法的稳定性和收敛性证明。证明了液体球启发的编队控制方法通过控制器参数设计可以实现任意可行队形的编队。此外,相对于类似的势场函数方法,液体球启发的虚拟Leader编队控制方法能够有效减少通信链接数。由于使用了拟态物理学的思想,编队控制方法计算量少,且参数具有明确的物理意义,使得在实际应用中更容易整定。算例仿真结果和硬件在回路试验结果验证了方法的有效性。(4)提出了基于拟态物理学的编队重构方法,可应用于当无人机的任务、数量发生变化和编队遇到障碍时的编队重构问题。针对三种类型的编队重构问题,提出了一种基于拟态物理学的编队重构方法。受自然界中液体融合和流过障碍等现象的启发,研究了液体球启发的编队控制方法的可扩展性和灵活性,进一步设计了基于拟态物理学的编队重构框架,并分别给出了任务变化时、无人机数量变化时和编队遇到障碍时的编队重构策略。通过在线改变编队控制参数,可以实现无碰撞的任务队形变换;通过局部通信重构,可以实现像液体自然融合和分离一样增加或减少无人机数量;通过设计虚拟排斥力,可以实现编队像液体流过或挤过障碍物一样避开障碍。拟态物理学的思想使得方法计算简单易实现,算例仿真结果和硬件在回路试验结果验证了重构方法的有效性。(5)设计了高保真的硬件在回路试验系统和飞行试验系统,利用论文中提出的理论方法开展了无人机路径跟踪、编队控制与重构试验研究。为全面验证论文提出的理论方法,在相同硬件的基础上,分别利用X-Plane飞行模拟软件和多架“天行者”无人机平台设计了无人机编队飞行的硬件在回路仿真系统和飞行试验系统。并用实际飞行试验证明硬件在回路仿真系统的保真度,即经过硬件在回路仿真验证的方法和自驾仪可以直接移植到飞行试验系统。为了控制课题的研究成本,论文充分利用硬件在回路仿真系统对提出的各种方法进行试验验证。结果表明,基于虚拟力的引导律可以有效应用于直线、圆和变曲率曲线路径的跟踪和避障;液体球启发的编队控制方法能使无人机编队收敛到期望的队形,并在编队机动时保证编队的稳定;基于拟态物理学的编队重构策略能够有效应用于任务队形变换、无人机数量变化和编队避障。
【学位授予单位】:国防科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:V279;V249.1

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