群体无人机分布式协同控制方法研究

【摘要】：近年来,受生物群体智能的启发,产生了一个崭新的研究领域——群体机器人学。群体无人机是由一组空中机器人构成的群体系统。与传统的多无人机系统相比,它具有鲁棒性、可扩展性、灵活性和经济性等独特的优势和广泛的应用前景。本文针对群体运动协调中集结、一致性、群集三个问题,进行了群体无人机的分布式协同控制方法研究,具体内容如下: 首先研究了群体无人机的集结问题。基于人工势场思想,提出了群体无人机的集结模型,利用LaSalle不变集定理证明了在满足通信拓扑图连通的情况下,群中所有无人机实现集结;针对一类具有完全连通拓扑的群体无人机系统进行了集结状态分析,利用稳定性理论证明系统在所设计控制律的作用下,群中所有无人机最终集结在某一球体区域内,仿真验证了所提定理的正确性。 其次研究了群体无人机的一致性问题。提出了无人机之间存在通信时延时,群体无人机的一致算法,利用Lyapunov-Krasovskii函数方法对时延群体无人机系统进行稳定性分析并以线性矩阵不等式形式得到系统稳定的条件;基于一致性算法提出了具有虚拟领航者的编队控制律,并利用一致性理论证明无人机群体能跟随虚拟领航者进行编队飞行。 最后研究了在自由空间和障碍物空间中群体无人机的群集控制问题。针对无障碍物的自由飞行空间,提出动态拓扑下有虚拟领航者的光滑群集控制律,通过LaSalle不变集原理证明了无人机群在所设计的控制律作用下,取得群集编队飞行,仿真实例验证了结论的正确性;在含有障碍物的飞行空间,基于人工势场的思想,提出了群体无人机无人机系统的群集避障控制算法,仿真验证了算法的有效性。