【摘要】：近年來,無人機及其相關(guān)技術(shù)研究受到各個領(lǐng)域的廣泛關(guān)注,不僅在軍事領(lǐng)域具有戰(zhàn)略意義,如偵查、作戰(zhàn)等,在民用領(lǐng)域也愈發(fā)受到企業(yè)與愛好者的追捧。相對于單架無人機,無人機編隊有著許多優(yōu)勢,如可以降低無人機負(fù)載等。未來的無人機編隊需要兼?zhèn)渥灾餍�、靈活性、穩(wěn)定性,且能夠高成功率高效率地完成探測、物品運送、甚至更復(fù)雜的任務(wù),滿足不同場景的實用需求。從降低成本的角度來講,無人機編隊相較單架無人機更有優(yōu)勢,僅裝載少量計算設(shè)備與傳感器的無人機組成的大規(guī)模蜂群將有著廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。無人機編隊任務(wù)包括了編隊、隊形變換、分裂重組等編隊算法的設(shè)計,考慮到現(xiàn)實環(huán)境中存在障礙物以及動態(tài)威脅的問題,無人機編隊方案設(shè)計中還需要結(jié)合避障方法的研究。為了設(shè)計一種具有避障能力和擴展規(guī)模能力的自主編隊,本文中提出了一種基于群集行為法的無人機分布式編隊方案。該方案中通過規(guī)定了無人機個體的基本行為,通過群體中按照運動規(guī)則互相影響最終產(chǎn)生群體共識,結(jié)合虛擬領(lǐng)導(dǎo)的設(shè)置并利用人工勢場法進(jìn)行改進(jìn)。結(jié)合基于行為法規(guī)則設(shè)計的思想與人工勢場法中勢場函數(shù)改變無人機運動狀態(tài)具有更平滑的優(yōu)點,該方案中無人機運動參照隊內(nèi)鄰居無人機運動狀態(tài)使自身運動與群體達(dá)成一致,同時結(jié)合勢場函數(shù)對環(huán)境中感應(yīng)范圍內(nèi)障礙物自主避障。傳統(tǒng)的領(lǐng)航跟隨式編隊魯棒性差,領(lǐng)機掉線基本上會導(dǎo)致任務(wù)失敗,所以本文中采用了虛擬領(lǐng)導(dǎo)的方式引導(dǎo)無人機編隊的運動。針對現(xiàn)實生活中的具有動態(tài)障礙物的情況,通過為無人機設(shè)計依據(jù)動態(tài)障礙物計算虛擬速度障礙加強了避障成功率,并通過為編隊設(shè)計虛擬殼的方法,減少無人機脫隊的情況,增強編隊穩(wěn)定性。本文針對未來大規(guī)�？蓴U展的自主編隊需求,創(chuàng)新性地結(jié)合了編隊算法與避障算法,形成無人機-障礙-虛擬領(lǐng)航點的框架,且針對有動態(tài)障礙物的情景優(yōu)化了無人機行為策略。通過MATLAB仿真50架無人機在自由空間和靜、動態(tài)障礙物環(huán)境下運動驗證了算法的有效性和穩(wěn)定性,初始狀態(tài)隨機的無人機能夠成功避開障礙駛出障礙區(qū),并形成具有期望尺寸的編隊。
【圖文】：

圖 1-1 無人機集群示意圖究目的及意義單架無人機負(fù)載有限，感知角度單一，面對實際生活中各種復(fù)人機集群協(xié)作解決問題。在較大規(guī)模的無人機編隊情境下，傳均存在一定的缺點，比如魯棒性差、擴展性差等，為了保證數(shù)人機能夠自發(fā)形成編隊，且編隊具有一定的形態(tài)可控性，需要傳統(tǒng)方法進(jìn)行改進(jìn)。考慮到無人機編隊對自主編隊、避免碰撞同環(huán)境的需求，，主要涉及的研究方面有編隊控制和障礙躲避。隊控制方面，主要包含了編隊形成和編隊保持的問題。編隊形初始混亂的狀態(tài)下或者被外部環(huán)境擾亂后自主形成具有規(guī)律形，且過程中無人機之間不會產(chǎn)生碰撞；編隊保持指無人機群形由空間飛行過程中有盡量少的隊內(nèi)相對位置變化，具有穩(wěn)定的。礙躲避方面，要求無人機編隊對靜態(tài)障礙物與動態(tài)威脅自主避

該規(guī)則中個體根據(jù)其附近的個體的速度做出反應(yīng)，不考慮其他個體的帶來的影響。這里速度是指一個包括了量值和方向的向量。這一行為規(guī)于群體中個體的行為互相影響有著重要的作用。分離規(guī)則中的避碰能力和動態(tài)速度匹配有著互補的作用，這兩條規(guī)則保證了群體中個體可以在不碰撞的情況下自由空間內(nèi)共同向相同方向運另一個角度來看，速度匹配也是避碰的一部分，或是可以看作一種避碰測，它使得個體保持相對速度達(dá)到最小。存在速度匹配的情況下，個體的距離基本保持不變，即分離規(guī)則使個體分離，而速度匹配規(guī)則保持了距。無人機場景下，速度匹配規(guī)則約束無人機根據(jù)感知范圍內(nèi)其他無人機度信息調(diào)節(jié)自身運動狀態(tài)。在每一時刻，無人機根據(jù)周圍無人機速度信出一個平均速度矢量，并改變自身速度向該矢量收斂。在示意圖 2-8 中，20 個隨機位置、隨機朝向的個體，經(jīng)過一段時間后體間能夠達(dá)成一致，朝同一方向前進(jìn)。由此可知，具有一定智能的個體可以通過自發(fā)互相協(xié)調(diào)，最終產(chǎn)生群體行為。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：V279;V249

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