多无人机协同编队控制算法研究.pdf

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1、硕士学位论文多无人机协同编队控制算法研究RESEARCHONCOOPERATIVEFORMATIONCONTROLALGORITHMFORMULTI-UAV林倩玉哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TJ765.3学校代码：10213国际图书分类号：623密级：公开工程硕士学位论文多无人机协同编队控制算法研究硕士研究生：林倩玉导师：王晓丽副教授申请学位：工程硕士学科：控制工程所在单位：信息与电气工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TJ765.3U.

2、D.C:623DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONCOOPERATIVEFORMATIONCONTROLALGORITHMFORMULTI-UAVCandidate：LinQianyuSupervisor：AssociateProfessorWangXiaoliAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ControlEngineeringAffiliation：School

3、ofInformationandElectricalEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要随着科技的迅猛发展，无人机在军事和民用领域发挥着越来越大的作用。与单架无人机相比，多无人机编队虽然有任务成功率高等优点，但目前编队的应用仍然受到限制。究其原因，主要是因为无人机之间的协作能力和编队的环境适应能力不高，导致编队不够稳定。本文分析了造

4、成飞行环境复杂的原因，认为通信网络中存在的不确定性和障碍物是影响编队稳定的主要因素。因此，本文对无人机编队在上述环境下的控制算法进行了深入研究，主要研究内容和成果如下：首先，本文研究了理想环境下多无人机协同编队的控制问题，基于分布式一致性理论提出了编队算法。每架无人机通过分布式通信拓扑与邻居无人机进行信息交互，根据邻居的位置调整自身的飞行状态，以形成相互协作的整体。基于本编队算法的无人机群不仅具备编队形成、编队保持和编队变换的能力，还具备良好的自愈能力和扩展能力，即当有成员脱离编队或加入编队时，无人机编队都能

5、形成新的队形并保持稳定，这在实际应用中具有十分重要的意义。其次，在实际飞行环境中往往存在通信时延和输入时延，影响了无人机之间的信息交互，所以本文提出了时延环境下的编队控制算法。算法基本思想是：每架无人机用自己的时延状态与其邻居无人机的时延状态进行比较，得到当前时刻的控制输入，自动驾驶仪根据控制输入调整飞行状态，从而完成相对位置的同步控制。除此之外，为了减小时延约束对编队稳定性的影响，本文提出了可以主动增大时延上限的拓扑结构，这从一定程度上改善了时延问题。最后，为了避免无人机与障碍物或其它无人机发生碰撞，提高编

6、队对环境的适应能力，本文重点研究了编队避障控制算法。算法通过结合改进人工势场法和一致性理论，生成每架无人机的避障、编队和飞向目标点的行为，从而使无人机群表现出协同编队避障的集体行为。特别地，本文重新对安全距离进行定义，使无人机在以高速度和小角度接近障碍物时，无人机都有足够的时间避开障碍物。经过MATLAB仿真验证，该算法可使无人机编队在有连续障碍物和相邻较近的障碍环境下保持群集避障，而非各自避障，表现出了较强的自主协调性、邻近交互性、群体稳定性和环境适应性。关键词：多无人机；协同编队；一致性算法；时延；改进人

7、工势场-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractWiththerapiddevelopmentofscienceandtechnology,unmannedaerialvehicles(UAVs)areplayinganincreasinglyimportantroleinthemilitaryandcivilianfields.ComparedwithasingleUAV,multi-UAVformationhastheadvantageofhighsuccessrateofmissions,bu

8、ttheapplicationoftheformationisstilllimited.ItmainlybecausethatthecoordinationcapabilitybetweenUAVsandtheenvironmentadaptabilityoftheformationsarenotgood.Thispaperanalyzesthereasonsforthecomplexityofth