隨著作戰(zhàn)環(huán)境復(fù)雜性和多樣性的不斷提高,單架無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)存在一些不可避免的限制,多無(wú)人機(jī)協(xié)同編隊(duì)飛行技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,并且受到了廣泛的關(guān)注。其中,多無(wú)人機(jī)編隊(duì)集結(jié)和編隊(duì)隊(duì)形保持控制是編隊(duì)飛行技術(shù)中的關(guān)鍵問題。本文針對(duì)編隊(duì)集結(jié)和編隊(duì)保持過程中涉及到的多無(wú)人機(jī)協(xié)同航路規(guī)劃、到達(dá)時(shí)間一致性以及固定隊(duì)形保持等問題進(jìn)行了分析和研究,給出了有效的優(yōu)化方案和策略。針對(duì)高原山區(qū)這一特殊環(huán)境,建立了對(duì)應(yīng)的地形模型和風(fēng)場(chǎng)模型,分析了單架無(wú)人機(jī)飛行中受到的自身約束和多無(wú)人機(jī)協(xié)同飛行時(shí)受到的空間與時(shí)間約束。在多無(wú)人機(jī)編隊(duì)集結(jié)技術(shù)的研究中,為提高集結(jié)過程中航路規(guī)劃的質(zhì)量和效率,提出了一種改進(jìn)的自適應(yīng)柯西變異鴿群優(yōu)化算法,詳細(xì)介紹了算法的原理和改進(jìn)思路,結(jié)合解空間預(yù)處理策略,給出了具體的多無(wú)人機(jī)協(xié)同航路規(guī)劃步驟。為保證多無(wú)人機(jī)能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)到達(dá)集結(jié)區(qū)域,采用航路調(diào)整和速度調(diào)整策略,根據(jù)集結(jié)時(shí)間和各無(wú)人機(jī)位置不斷進(jìn)行航程和速度的調(diào)節(jié),從而完成編隊(duì)集結(jié)任務(wù)。針對(duì)多無(wú)人機(jī)編隊(duì)保持控制問題,在建立了合適的通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提出一種基于二階一致性理論的多無(wú)人機(jī)編隊(duì)隊(duì)形保持控制算法,選取速度和位置作為協(xié)同變量,各無(wú)人機(jī)可根據(jù)編隊(duì)參考點(diǎn)和其它無(wú)人機(jī)的位置和速度信息,通過對(duì)自身速度、航向和俯仰角的調(diào)整來保持編隊(duì)隊(duì)形的穩(wěn)定。為適應(yīng)高原狹窄山區(qū)的飛行環(huán)境,在編隊(duì)控制器中加入?yún)f(xié)同修正技術(shù),對(duì)無(wú)人機(jī)間協(xié)同誤差和測(cè)量誤差進(jìn)行抑制,減少了外界干擾和誤差對(duì)編隊(duì)飛行的影響。本文進(jìn)行了三架固定翼無(wú)人機(jī)的編隊(duì)飛行仿真實(shí)驗(yàn),通過實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了本文所提出的編隊(duì)集結(jié)策略和編隊(duì)隊(duì)形保持方法的有效性和可行性。
【學(xué)位單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：V279;V249.1
【部分圖文】：

1.1 論文的研究背景和意義無(wú)人機(jī)（UnmannedAerialVehicle，UAV）是指由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、可利用無(wú)線電遙控設(shè)備進(jìn)行操縱的無(wú)人駕駛飛行器，相比于傳統(tǒng)的有人駕駛飛機(jī)，無(wú)人駕駛飛機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、機(jī)動(dòng)性好等顯著優(yōu)點(diǎn)，無(wú)人機(jī)不需要駕駛員的這一特點(diǎn)不僅避免了人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)，還降低了飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求[1]。隨著國(guó)內(nèi)外無(wú)人機(jī)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)在尺寸、外形、質(zhì)量、航程、任務(wù)執(zhí)行能力等方面都得到了改進(jìn)，在軍用和民用方面都發(fā)揮了巨大的作用，無(wú)人機(jī)被廣泛應(yīng)用于軍事作戰(zhàn)、消防救援、農(nóng)業(yè)植保、地理測(cè)繪和影視拍攝等方面[2]。近幾十年，無(wú)人機(jī)發(fā)展迅猛，世界各國(guó)越來越多的學(xué)者投入到無(wú)人機(jī)相關(guān)技術(shù)的研究中。如 2003 年的伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中，出現(xiàn)的“全球鷹”、“沙漠鷹”等無(wú)人機(jī)，在作戰(zhàn)偵察和搜索、精準(zhǔn)打擊方面發(fā)揮著重要的作用；2013年美國(guó)研制的世界首架 X-47B 無(wú)人機(jī)從 “喬治 布什號(hào)”航母上成功彈射起飛，該無(wú)人機(jī)是人類歷史上第一架完全電腦操縱、不需人工干預(yù)的噴氣式無(wú)人機(jī)；2017 年中國(guó)自主研制的“翼龍II”無(wú)人機(jī)完成首飛，“翼龍 II”無(wú)人機(jī)有著體積輕盈、長(zhǎng)航時(shí)、查打兼?zhèn)浜陀猛緩V泛等特點(diǎn)，性能達(dá)到國(guó)際無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的先進(jìn)水平。圖 1.1（a）為 X-47B 無(wú)人機(jī)，圖 1.1（b）是我國(guó)“翼龍II”無(wú)人機(jī)。目前，單架無(wú)人機(jī)的飛行控制技術(shù)研究已較為成熟。

術(shù)研發(fā)強(qiáng)國(guó)的研究熱點(diǎn)。世界各國(guó)眾多研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者專家對(duì)多無(wú)人機(jī)編隊(duì)涉及的子技術(shù)展開了相關(guān)研究，這些研究大多集中在無(wú)人機(jī)編隊(duì)隊(duì)形構(gòu)建、協(xié)同控制及編隊(duì)系統(tǒng)抗干擾方面，提出了許多可行的控制方法，在理論和工程應(yīng)用方面都取得了顯著的成果和突破。在理論方面，美國(guó)是開展無(wú)人機(jī)協(xié)同編隊(duì)技術(shù)研究最早的國(guó)家，早在 20 世紀(jì)初，美國(guó)便首次將無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行的研究計(jì)劃（AFF 計(jì)劃），列入到美國(guó)國(guó)家航天局于 1999 年啟動(dòng)的“革命性概念計(jì)劃”中，該計(jì)劃主要包括美國(guó)國(guó)家航天局認(rèn)為能夠使軍事領(lǐng)域發(fā)生革命性變化的一些創(chuàng)新性研究課題[7]。國(guó)內(nèi)的無(wú)人機(jī)編隊(duì)技術(shù)研究起步較晚，但國(guó)內(nèi)在無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行方面的理論研究也取得了很大的突破和進(jìn)展，近年來國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者在 Control and Dynamics、Journal of Aeronautics 等著名期刊上發(fā)表了大量與多無(wú)人機(jī)編隊(duì)相關(guān)的文章，這些研究都極大地推動(dòng)了無(wú)人機(jī)編隊(duì)技術(shù)的發(fā)展。在工程方面，2012 年美國(guó)研制的兩架新型“全球鷹”無(wú)人機(jī)在 20000 米高的太平洋上空成功完成了空中加油實(shí)驗(yàn)，如圖 1.3（a）所示，此實(shí)驗(yàn)的成功，預(yù)示著將來無(wú)人機(jī)編隊(duì)勢(shì)必會(huì)在戰(zhàn)場(chǎng)上異軍突起。2015 年 1 月，中國(guó)自主研制的兩架“翼龍”無(wú)人機(jī)進(jìn)行了首次編隊(duì)飛行。如圖 1.3（b）所示，兩架無(wú)人機(jī)順次起飛，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)編隊(duì)操縱系統(tǒng)智能化，在不需要人工干預(yù)的情況下完成了試飛實(shí)驗(yàn)，通過此試飛實(shí)驗(yàn)，向全世界展示了我國(guó)無(wú)人機(jī)編隊(duì)技術(shù)水平和軍事技術(shù)水平的提升。

隊(duì)協(xié)同控制問題提供必要的幫助。在氣候方面，高原山區(qū)平均海拔在 4000m以上，在海拔較高的地區(qū)，空氣稀薄和氣壓較低，導(dǎo)致天氣情況不穩(wěn)定，會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)大風(fēng)、低溫等天氣狀況；在地形方面，高原山區(qū)到處遍布著山峰，無(wú)人機(jī)航線沿途山勢(shì)陡峭，部分山峰高度相對(duì)山谷達(dá)到了上千米，山峰之間距離較小，平坦區(qū)域較為狹窄[47]。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，一年中高原地區(qū)低云日數(shù)居多，其高度一般在相對(duì)地面 1000m至 1500m的范圍，通常這些區(qū)域容易降雨或降雪。每年的冬季和春季，由于溫度變化率的升高，高原地區(qū)會(huì)出現(xiàn)較為頻繁的大風(fēng)天氣，風(fēng)向和風(fēng)速變化也較為明顯，受到地理和地貌特征的影響，還會(huì)出現(xiàn)一定的風(fēng)場(chǎng)亂流現(xiàn)象。記錄數(shù)據(jù)表明，高原地區(qū)的地面風(fēng)速最高可達(dá)到 10 m /s，相比之下，高空風(fēng)速更大，在相高 1000m的位置，風(fēng)速最高可達(dá) 20 m /s，主要的風(fēng)場(chǎng)方向?yàn)槲鞅狈较�。此外，在連續(xù)山脈附近會(huì)存在擾動(dòng)氣流，這種擾動(dòng)氣流的強(qiáng)度和不同時(shí)間段的氣溫、風(fēng)速大小、風(fēng)場(chǎng)方向以及山脈的分布特點(diǎn)有著直接聯(lián)系。這種復(fù)雜的風(fēng)場(chǎng)和氣流，會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行安全和協(xié)同穩(wěn)定性帶來一定的隱患。一年中的大多數(shù)時(shí)間，高原地區(qū)的氣溫都在0 C 以下，高海拔地區(qū)氣溫較低，氣壓較大，發(fā)動(dòng)機(jī)推力大小受到了一定的影響，海拔越高的大氣層，空氣越稀薄，發(fā)動(dòng)機(jī)推力可能無(wú)法提供使無(wú)人機(jī)平穩(wěn)飛行的能力，這就給無(wú)人機(jī)的飛行高度造成了很大限制。圖 2.1（a）為青藏高原地區(qū)飛行試驗(yàn)時(shí)起飛陣地實(shí)景圖，圖 2.1（b）為無(wú)人機(jī)巡航區(qū)域?qū)嵕啊?

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