本文關鍵詞：基于Leader-Follower理論的四旋翼無人機編隊控制系統(tǒng)研究

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【摘要】：隨著現代控制技術的不斷發(fā)展與進步,無人機技術經過幾十年的發(fā)展,已經在軍事領域和民用領域中發(fā)揮著不可或缺的作用。為了緊跟科技發(fā)展的潮流,除了提高單架無人機的功能和控制精度外,還需要考慮如何運用先進的現代控制理論,發(fā)展更為有效的無人機控制策略,從而無人機編隊飛行控制技術的研究越來越受到各界的廣泛關注。本文全面分析了基于四旋翼無人機的多無人機編隊控制策略,分別對單無人機系統(tǒng)和多無人機編隊系統(tǒng)進行數學建模與系統(tǒng)分析;主要針對Follower對Leader軌跡的實時跟蹤和Leader與Follower間航向角的準確同步問題展開研究,并且基于四旋翼無人機模型設計出軌跡追蹤控制系統(tǒng);最后基于現代控制理論完成整個編隊控制系統(tǒng)的設計和穩(wěn)定性分析。主要研究內容如下:1、本文以多無人機編隊控制系統(tǒng)為研究對象�；贚eader-Follower通信拓撲方案,并且通過Lyapunov穩(wěn)定性判據與反步法的運用,在Leader和Follower的相互約束問題上展開深入研究。本文的控制策略不同于其他文獻中介紹的多無人機編隊控制方法,通過在Follower的機體軸坐標系下定義與Leader的相對位置誤差變量的方法,并且在虛擬的Follower運動控制上增加足夠的運動約束,在不需要準確地計算出用于Follower跟蹤的Leader路徑偏移量等參數的情況下,也可以實現具有豐富曲率的編隊控制系統(tǒng)。2、通過在Follower的機體軸坐標系下定義Leader與Follower間相對位置誤差的設計思路,同時對多無人機間航向角的一致性展開研究。在實現多無人機編隊軌跡控制的準確性和快速性的同時,確保編隊控制系統(tǒng)對航向角的控制也滿足收斂性的要求。結合非線性控制理論與無人機控制系統(tǒng)的結構特點,本文通過對Follower的姿態(tài)控制增加充足的運動約束,從而保證在Leader的軌跡曲線以及多無人機之間理想距離得到明確定義的情況下,實現Follower與Leader之間姿態(tài)角的穩(wěn)定性控制。3、以單無人機系統(tǒng)為研究對象,對單無人機控制系統(tǒng)中姿態(tài)鎮(zhèn)定環(huán)與位置追蹤環(huán)的穩(wěn)定性控制展開研究。單無人機系統(tǒng)的姿態(tài)控制與路徑追蹤控制的研究是多無人機系統(tǒng)協(xié)同控制問題的前提條件,因此本文以非線性控制理論、空氣動力學以及剛體運動學為基礎,對單無人機控制系統(tǒng)展開研究,一方面完成單無人機控制系統(tǒng)中姿態(tài)環(huán)的快速鎮(zhèn)定,另一方面實現單體無人機路徑的準確追蹤,為多無人機編隊控制奠定基礎的同時克服兩個控制器由于耦合特性給控制所帶來的難題。
【關鍵詞】：編隊控制 四旋翼無人機 Leader-Follower 反步法 軌跡追蹤
【學位授予單位】：南京郵電大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V279;V249.1
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 緒論9-23
• 1.1 研究背景9-21
• 1.1.1 無人駕駛飛機的特點9-10
• 1.1.2 國內外無人機的發(fā)展現況10-15
• 1.1.3 現代無人機的發(fā)展趨勢15-16
• 1.1.4 多無人機編隊控制的優(yōu)勢16-18
• 1.1.5 多無人機編隊控制研究現狀18-20
• 1.1.6 多無人機編隊未來的發(fā)展趨勢20-21
• 1.2 本文研究內容21-23
• 第二章 相關理論知識介紹23-28
• 2.1 非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性理論23-25
• 2.2 反步設計方法25-26
• 2.3 編隊控制26-27
• 2.4 本章小結27-28
• 第三章 系統(tǒng)模型建立28-37
• 3.1 問題描述28
• 3.2 四旋翼無人機模型的建立28-32
• 3.3 對四旋翼無人機飛行原理的分析32-34
• 3.4 四旋翼無人機模型特點的分析34-35
• 3.5 Leader-Follower模型介紹35-36
• 3.6 本章小結36-37
• 第四章 Leader-Follower軌跡產生器的設計37-47
• 4.1 問題描述37-38
• 4.2 控制律設計38-42
• 4.3 穩(wěn)定性分析42-43
• 4.4 仿真結果43-46
• 4.5 本章小結46-47
• 第五章 Leader-Follower軌跡跟蹤器的設計47-61
• 5.1 問題描述47-49
• 5.2 控制律設計49-53
• 5.2.1 姿態(tài)控制子系統(tǒng)50-51
• 5.2.2 位移控制子系統(tǒng)51-53
• 5.3 穩(wěn)定性分析53-54
• 5.4 仿真結果54-59
• 5.4.1 軌跡跟蹤器的仿真驗證54-58
• 5.4.2 編隊控制器的仿真驗證58-59
• 5.5 本章小結59-61
• 第六章 總結與展望61-64
• 6.1 全文總結61-62
• 6.1.1 研究內容總結61-62
• 6.1.2 研究成果總結62
• 6.2 全文展望62-64
• 6.2.1 研究內容展望63
• 6.2.2 研究成果展望63-64
• 參考文獻64-67
• 附錄1 程序清單67-68
• 附錄2 攻讀碩士學位期間撰寫的論文68-69
• 致謝69

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