【摘要】：四旋翼無人機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可垂直起降、維護(hù)使用方便等原因被廣泛地應(yīng)用到多元場(chǎng)合,但隨著任務(wù)要求不斷提高,對(duì)單無人機(jī)的控制要求也迅速上升,而多無人機(jī)協(xié)同編隊(duì)因其對(duì)個(gè)體無人機(jī)任務(wù)要求低、作業(yè)區(qū)域大、效率高等優(yōu)點(diǎn),受到了更多重視與研究。本文將無人機(jī)編隊(duì)?wèi)?yīng)用在農(nóng)業(yè)植保問題中,以農(nóng)藥噴灑為主要場(chǎng)景進(jìn)行四旋翼飛行控制與編隊(duì)控制研究,主要工作內(nèi)容及貢獻(xiàn)如下:(1)四旋翼單機(jī)性能對(duì)編隊(duì)控制的效果有較大影響,因此對(duì)四旋翼無人機(jī)在控制穩(wěn)定性、跟蹤精確度和響應(yīng)速度方面提出了較高的要求,本文選擇四旋翼無人機(jī)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)其小角度或懸停狀態(tài)下的物理模型進(jìn)行分析。考慮農(nóng)藥噴灑場(chǎng)景下無人機(jī)與負(fù)載總質(zhì)量實(shí)時(shí)變化的需求,對(duì)無人機(jī)質(zhì)量進(jìn)行自適應(yīng)估計(jì),并將反步法和分?jǐn)?shù)階串級(jí)PID控制分別應(yīng)用在位置環(huán)和姿態(tài)環(huán)控制,Matlab仿真結(jié)果表明自適應(yīng)方法能快速準(zhǔn)確地跟蹤上真實(shí)質(zhì)量,與傳統(tǒng)PID控制算法的比較結(jié)果表明,本文算法對(duì)高度控制更穩(wěn)定,軌跡跟蹤效果優(yōu)勢(shì)顯著,在穩(wěn)定時(shí)間、超調(diào)和靜態(tài)誤差方面都有明顯優(yōu)勢(shì)。(2)在編隊(duì)控制的多種主流方法研究基礎(chǔ)上,提出了含耦合項(xiàng)的虛擬結(jié)構(gòu)法,將其與行為法相結(jié)合,利用代價(jià)函數(shù)對(duì)變質(zhì)量無人機(jī)編隊(duì)進(jìn)行控制,通過權(quán)值參數(shù)平衡自主避障、編隊(duì)保持與任務(wù)完成三者之間的優(yōu)先級(jí)關(guān)系。論文首先分析了含耦合項(xiàng)虛擬結(jié)構(gòu)法的穩(wěn)定性,接著在Matlab平臺(tái)上進(jìn)行了仿真,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明驗(yàn)含耦合項(xiàng)的虛擬結(jié)構(gòu)法能有效減小外界干擾對(duì)個(gè)體無人機(jī)飛行軌跡的影響,同時(shí)在實(shí)現(xiàn)自主避障的前提下,含耦合的虛擬結(jié)構(gòu)法能讓無人機(jī)更好地保持編隊(duì)隊(duì)形,保持任務(wù)目標(biāo)朝向。(3)農(nóng)藥噴灑場(chǎng)景可以被認(rèn)為是區(qū)域覆蓋問題下的一個(gè)應(yīng)用,本文在研究了多篇關(guān)于區(qū)域覆蓋問題的文獻(xiàn)后,提出了變質(zhì)量無人機(jī)的一字型“Z”字編隊(duì)方法,本文方法與相關(guān)文獻(xiàn)方法的對(duì)比結(jié)果表明,本文算法在作業(yè)效率、省電省藥和編隊(duì)避碰問題方面很有優(yōu)勢(shì)。盡管本文以矩形區(qū)域?yàn)槔?但以“寬度最小“為原則,本文算法可以推廣到多邊形區(qū)域覆蓋問題中。而在無人機(jī)編隊(duì)飛行之前,考慮無人機(jī)個(gè)體出發(fā)點(diǎn)可能不同,提出了利用Dubins曲線實(shí)現(xiàn)無人機(jī)編隊(duì)集結(jié),以能量消耗最少、集結(jié)到達(dá)時(shí)間相同為目標(biāo),解算最佳路徑,并通過在直線段調(diào)整無人機(jī)速度實(shí)現(xiàn)集結(jié)時(shí)間的一致性。基于上述分析與仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,本文算法為農(nóng)業(yè)植保問題下農(nóng)藥噴灑場(chǎng)景提供了一種解決方案,算法計(jì)算量小,控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單也為工程實(shí)現(xiàn)提供了更多可能,同時(shí)該編隊(duì)集結(jié)、編隊(duì)控制算法也可應(yīng)用到如區(qū)域排雷、巡檢、地圖繪制等區(qū)域覆蓋問題中;變質(zhì)量無人機(jī)的控制提升了無人機(jī)個(gè)體的飛行性能和適用場(chǎng)景。
【圖文】：

１１８０架無人機(jī)編隊(duì)在廣州塔前組成“財(cái)富”兩字，隨后又拼出代表廣州的科技、航逡逑運(yùn)、創(chuàng)新等元素的動(dòng)畫游走畫面。逡逑圖１．邋１廣州１１８０架無人機(jī)編隊(duì)為《財(cái)富》全球論壇開幕表演逡逑２０丨８年４月，西安舉辦城墻文化節(jié)，１３７４架四旋翼無人機(jī)組成編隊(duì)，動(dòng)態(tài)展逡逑示了西安城墻、大雁塔、絲綢之路等圖案和文字，打破了之前“最多無人機(jī)同時(shí)飛逡逑行”的吉尼斯世界紀(jì)錄。逡逑圖１．２西安千架無人機(jī)飛行表演逡逑２逡逑

學(xué)碩士學(xué)位論文民用方面，２０１７年１２月，《財(cái)富》全球論壇在廣州開幕，在歡迎酒會(huì)架無人機(jī)編隊(duì)在廣州塔前組成“財(cái)富”兩字，隨后又拼出代表廣州的科技、新等元素的動(dòng)畫游走畫面。逡逑
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：S252.3

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本文編號(hào)：2688275