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多无人机分布式协同编队飞行控制技术研究

薛瑞彬  
【摘要】:在最近的几场战争中,无人机都得到了广泛的应用,它的使用拓展了传统意义上的战争模式概念,不仅降低了战争成本,更保障了人员的安全。无人机编队技术正是在此优势的基础上提出并发展起来的,这一技术将使无人机更好的完成侦察、打击任务,在未来战争中具有不可忽视的作用。然而随着网络技术的发展成熟与广泛应用,网络环境下的多无人机协同作战将极大地提高作战效能,但也给多机控制和决策技术带来了重大挑战,需要考虑网络时延、网络拓扑变化和不确定性扰动等通信条件带来的影响。受限网络条件下的多机协同作战是研究多无人机协同控制和决策技术的直接推动力,同时也是提升无人机系统自主能力的重要体现;另外,多无人机系统能够以期望的编队结构在有限时间内跟踪指定的航迹,并且在飞行过程中保证实时的编队避障与编队个体之间的防撞控制,具有重要的实际意义。本文基于一致性理论,对多无人机编队控制技术进行了研究。论文的主要研究内容和取得的研究成果如下:首先,以具有简单动力学特性的多飞行器系统模型为基础,运用代数图论的理论描述了多飞行器系统的通讯拓扑结构,充分分析了系统中存在的通讯时延类型,并将其归纳为无人机自身的信息更新时延与无人机之间进行信息交换的时间延迟,为了处理问题的简便性,将两类时延进行归一化处理,即认为二者是对称的,其变化具有相同性。设计了考虑两类通讯时延的基于一致性理论的分布式编队控制协议,通过引入平面编队中心的概念,将系统模型进行了易于分析的等效变换。经过分析实际应用中多飞行器的通讯拓扑可能会由于干扰或故障等原因而变化,以切换结构来描述多飞行器之间的通讯拓扑,并且在此概念下,创造性的将复杂的多飞行器系统研究转换为只针对每个切换子集中连通的拓扑结构进行分析,大大降低了系统分析的难度与计算的复杂度。同时,在每个切换子集内,通过构造Lyapunov候选函数,运用Lyapunov理论分析系统的稳定性,通过求解线性矩阵不等式,找到了使得多飞行器系统稳定的充分条件。通过合理的选择控制器参数,在保证系统稳定的前提下,得到了多飞行器系统所允许的时延上限。数值仿真结果验证了理论分析的正确性与编队控制的可行性。其次,针对多无人机系统的三维空间质点动力学模型,在分析两类时延特性的基础上,为了更加贴近实际中的时延变化情况,将两类时延做非统一化处理,即认为二者是不同的,并且是时变的。设计了考虑此类具有非统一特性通讯时延的基于一致性理论的分布式编队控制协议,通过引入空间编队中心的概念,将系统模型进行了便于分析的等效变换。并且在联合连通的通讯拓扑结构下,运用Lyapunov理论分析了系统的稳定性,通过求解线性矩阵不等式,找到了多飞行器系统稳定的充分条件。并且通过模拟实际的编队飞行任务,验证了多无人机编队飞行控制系统的编队保持性能,以及当个体无人机脱离编队时,整个系统进行有效的编队重组与继续保持编队的能力。然后,依然以多无人机系统的三维空间质点动力学模型为基础,在多无人机系统具有联合连通的通讯拓扑结构下,研究整个系统在有限时间内的跟踪控制问题。从给出有限时间跟踪与编队形成的概念出发,通过设计非线性有限时间跟踪与编队控制协议,运用Lyapunov理论分析了系统的有限时间收敛性,并且得到了在有限时间内多无人机系统编队的可控性。通过对系统稳定性分析的过程中,找到了使得多无人机系统能够最快收敛的控制参数。应用贴近实际环境的数值分析,证明了整个系统的有限时间跟踪与编队控制的可行性,并且验证了多无人机系统的编队保持能力。最后,基于人工势场理论,研究了多无人机编队飞行系统同时实现编队整体避障与编队个体之间的防撞控制问题。首先分析了经典人工势场法的避撞控制原理,改进了用于避障控制的斥力场函数,并将势场法扩展到三维空间。引进了多无人机的动力学约束条件,利用无人机之间的状态反馈实现编队整体的队形保持,并且采用了变权重控制方法,实现了对多无人机编队飞行的避障与防撞控制的研究。最后通过对静态与动态障碍物的避障控制数值分析,验证了所提出的编队避障与防撞方法的可行性与理论分析的正确性。综上所述,本论文的研究工作针对多无人机编队飞行过程中的部分控制问题提出了合理的解决方案,为多无人机编队飞行控制的发展和应用提供了理论支持,具有较强的工程实用价值。


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