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四旋翼飞行器群集控制

邸健  
【摘要】:自然界中存在着大量的生物体群集(flocking)现象,群集运动可以有效的帮助生物体生存、觅食、迁徙。模拟生物体的群集运动,对四旋翼飞行器进行群集控制,使飞行器之间可以更好的互相协作,从而增强整体能力。本文主要以四旋翼飞行器为研究对象,设计分布式控制器,在无领导者的情况下实现四旋翼飞行器在群集运动中的汇聚、避碰与速度匹配的控制。本文沿着由易到难的研究思路,首先研究了基于二维简化模型的四旋翼的群集,然后研究了基于三维简化模型的四旋翼的群集控制,进而在更一般的三维空间模型基础上基于姿态动力学研究了四旋翼群集速度同步问题,最后考虑了基于ROS的软硬件实验。论文中主要研究内容可分为以下四个部分:一、在二维简化模型的基础上,研究四旋翼飞行器在xoy平面上的群集控制。将空间六自由度模型进行化简,并变换到极坐标系下对问题进行分析。基于反馈线性化的方法进行设计,考虑合适的人工势能函数,对飞行器位置进行控制,使得从不同起点出发的四旋翼飞行器得以汇聚。基于一致性理论对速度的大小和方向进行控制,最终实现飞行器在二维平面上的群集。二、在三维简化模型的基础上,基于欧拉角描述飞行器姿态,考虑四旋翼多处在低速运动的情况,研究四旋翼飞行器在三维空间中的群集控制。将四旋翼飞行器分为位置子系统与姿态子系统分别进行考虑。在位置子系统中,基于多智能体群集控制研究中所提出的控制器结构,设计人工势能函数,设计控制器,并基于李雅普诺夫函数方法说明系统稳定性。根据位置子系统所期望的控制输入求出所需要的姿态角,作为姿态子系统的给定。在姿态子系统中基于反步法分别在横滚、俯仰、偏航三个通道上设计控制器,跟踪姿态子系统的控制目标。通过数值仿真验证了所设计的控制器在实现飞行器汇聚的同时实现了速度匹配,并且在运动过程中保证了飞行器间不发生碰撞。三、在三维空间六自由度模型基础上,基于旋转矩阵描述姿态,从姿态动力学出发,设计转矩控制器,实现四旋翼群集中的速度同步。直接从飞行器动力学出发,利用邻居和自身的姿态信息设计转矩控制器,通过对飞行器姿态的控制实现群集过程中飞行器间的速度同步。基于李雅普诺夫函数与拉萨尔不变集定理说明了所设计控制器的稳定性。通过数值仿真验证了所设计控制器的有效性。四、在ROS框架下,搭建软件实验平台、硬件在环实验平台、户外实验平台。在软件实验平台中,编写C++程序,在Gazebo虚拟物理世界中,实现了对多架无人机的8字环绕队形、三角队形、一字队形的控制,验证了平台的稳定性。在硬件在环实验平台中,基于大疆M100四旋翼飞行器飞控在线和Gazebo虚拟物理世界中无人机互动的方式,实现群集过程中的汇聚过程。在户外实验平台中,基于现实世界中飞行的四旋翼飞行器与虚拟世界中飞行的四旋翼飞行器进行互动的方式,进行了群集中汇聚过程的实验,记录并分析了实验数据。


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