基于一致性的多四旋翼无人机编队控制研究

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1、天津大学硕士学位论文基于一致性的多四旋翼无人机编队控制研究StudyofFormationControlforMultipleQuadrotorsBasedonConsensusTheory工程领域：控制工程作者姓名：陈涛指导教师：窦立谦副教授企业导师：李斌昌高级工程师天津大学电气自动化与信息工程学院二零一七年十一月摘要小型四旋翼无人飞行器由于其尺寸小、重量轻、适应性强、隐蔽性高、危险性系数低，在军事和民用领域有着很高的实用价值，因而获得众多科研机构和商业公司的青睐。四旋翼飞行器的应用领域十分广泛，常见的包括灾害监测、地形侦查、救援、短距离运输等。然而单架

2、四旋翼飞行器的载荷有限，所能够执行的任务复杂度和对任务的容错能力也有限，因而多架四旋翼飞行器协作执行任务越来越成为四旋翼研究的热点问题。本文针对多四旋翼飞行器，基于一致性理论和滑模控制方法设计了分布式编队控制器，来实现整个编队的协同飞行，并利用仿真实验验证与分析了所设计的控制算法的有效性。本文研究内容可以归纳为以下几个方面：首先，将四旋翼飞行器视为刚体，建立四旋翼的运动学和动力学方程。将建立的四旋翼模型分为位置子系统和姿态子系统，基于超螺旋和终端滑模方法分别为两个子系统设计基于干扰观测的有限时间控制器，实现四旋翼飞行器对给定期望轨迹的稳定跟踪，同时也降低了

3、外界干扰和自身参数不确定等因素对飞行器稳定性的影响。其次，针对多架四旋翼飞行器设计了分布式编队控制器。我们假设每架四旋翼只能获取附近邻居个体的位置信息，编队系统中只有部分个体可以获取长机的飞行轨迹。在这种情况下，我们基于一致性理论和滑模控制方法设计了分布式编队控制器。编队控制器分别为每架四旋翼产生期望的速度信息，然后速度跟踪控制器驱动每架四旋翼跟踪期望速度，最终使多架四旋翼形成期望的队形。最后，针对四旋翼编队在飞行过程中会根据任务模式的不同而切换队形的编队重构问题，本文设计了带有避碰效果的分布式编队控制器。为了实现四旋翼飞行器之间有效避碰，我们在控制器中加

4、入了势能函数来实现这一目标。在四旋翼编队的飞行空间内，我们引入势能场，并为每架四旋翼设计一个球形避碰区，将空间内其他的飞行器视为障碍物，当障碍物与四旋翼的距离大于避碰区半径时，势能函数项不起作用，当障碍物与四旋翼的距离小于避碰区半径时，势能函数项可以产生斥力，让四旋翼可以绕开障碍物。而且斥力的大小随距离的减小成几何级数增大，从而能有效的避免飞行器间的碰撞。关键词：四旋翼飞行器，分布式编队，滑模控制，干扰观测器，势能函数IABSTRACTDuetoitssmallsize,lightweight,adaptability,highconcealmentand

5、lowhazardcoefficient,thesmallquadrotorUAVsareofgreatpracticalvalueinmilitaryandcivilfieldsandarefavoredbymanyscientificresearchinstitutionsandcommercialcompanies.Quadrotorhasawiderangeofapplications,includingdisastermonitoring,topographicreconnaissance,rescueandshort-distancetrans

6、port.However,thepayloadofsingle-quadrotorislimited,whichcauseslimitedtaskcomplexityandlimitedfaulttolerance.Thenthecooperativetaskofmultiplequadrotorsbecomesmoreandmoresignificantinquadrotorresearch.Inthisthesis,adistributedformationcontrolmethodbasedontheconsensustheoryandsliding

7、modecontrolisdesignedformultiplequadrotorstorealizethecoordinatedflightoftheentireformation.Theeffectivenessofthedesignedcontrolalgorithmisverifiedandanalyzedbynumericalsimulation.Thecontentofthisthesiscanbesummarizedasfollows:First,weconsiderthequadrotorasarigidbodyandestablishth

8、ekinematicsanddynamicsequationsof