四旋翼无人机编队巡航飞行控制方法研究

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1、硕士学位论文四旋翼无人机编队巡航飞行控制方法研究FORMATIONCONTROLMETHODFORQUADROTORUNMANNEDAERIALVEHICLES陈学坤哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TP273学校代码：10213国际图书分类号:681.5密级：公开工程硕士学位论文四旋翼无人机编队巡航飞行控制方法研究硕士研究生：陈学坤导师：张永安副教授申请学位：工程硕士学科：控制科学与工程所在单位：航天学院答辩日期：2015年6月30日授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP273U.D.C:6

2、81.5ThesisfortheMasterDegreeinEngineeringFORMATIONCONTROLMETHODFORQUADROTORUNMANNEDAERIALVEHICLESCandidate：ChenXuekunSupervisor：AssociateProf.ZhangYong-AnAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpeciality：ControlScienceandEngineeringAffiliation：SchoolofAstronauti

3、csDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-InstitutionHarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要随着任务复杂度的提升，单个的UAV已经不能满足越来越多样化的任务要求。多UAV系统在这样的背景下应运而生，并受到国内外学者的广泛关注。其中，UAV编队飞行控制问题是多UAV系统的一个重要研究方向。本文以四旋翼为研究对象，提出了一种基于编队队形保持和UAV轨迹跟踪控制框架的控制策略，解决了UAV编队巡航飞行控制问题。首先，本文基于“主-从

4、”结构编队飞行模式，给出了具体的四旋翼UAV编队飞行问题描述。为此，我们将编队飞行问题分解为两个子系统，即上层UAV编队队形保持控制子系统和底层UAV轨迹跟踪控制子系统。前者能够维持编队飞行过程中UAV的队形结构不变，后者能够保证主、从机UAV实时跟踪其期望轨迹。其次，结合PID和Backstepping方法设计了UAV编队飞行过程中的队形保持控制器。在仅考虑位置信息的情况下，根据主-从机UAV的相对运动学模型，分析确定了在编队飞行过程中主-从机UAV的垂向相对位置通道与横/纵向相对位置通道不存在耦合关系。分别采用PID控制和B

5、ackstepping方法，对主-从机UAV的垂向通道和横/纵向通道设计其队形保持控制器，获得了编队飞行过程中从机UAV为维持队形结构所需的期望速度指令信号。由此，将UAV编队飞行问题在队形保持的基础上，转化为底层单体UAV轨迹跟踪控制问题。最后，针对四旋翼UAV的Euler-Lagrange模型，研究了底层UAV轨迹跟踪控制问题。具体分析了飞行过程中UAV各状态量的耦合性、欠驱动性，建立了以姿态回路为内回路，位置回路为外回路的双回路控制结构。并将UAV模型划分为具有严格反馈形式的多通道控制结构：高度控制通道、偏航控制通道、滚转

6、控制通道和俯仰控制通道。采用积分Backstepping方法设计UAV轨迹跟踪控制器，解决了编队飞行过程中各UAV的指令跟踪问题。以螺旋线和直线轨迹为例，对主-从机UAV三角形结构编队飞行过程进行仿真分析，验证了基于队形保持和UAV轨迹跟踪控制框架的编队飞行控制策略的有效性。关键词：四旋翼UAV；编队飞行控制；“主-从”编队结构；反步控制-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractNowadays,singlequadrotorsystemcannotmeettherequirementsofthediversified

7、taskswithitsincreasingmanipulationcomplexity.Thereforemulti-UAVshavebeenusedonmoreandmoremissions,attractingwideattentionathomeandabroad.UAVformationflightcontrolproblemisacoreresearchtopicamongmulti-UAVsystem.Inthispaper,weproposeacontrolframeworkwhichbasedonthelead

8、er-followerformationstructure.Firstly,themathematicaldescriptionofquadrotorUAVformationflightproblemisestablished.TheUAVformationfl