面向机动目标跟踪的多无人机主从式协同导引与编队控制方法

摘要

无人机由于其在军事领域的大量应用和在民用领域的巨大潜力而在近年来引起了人们的广泛关注。跟踪地面目标是无人机在应用阶段所面临的重要任务之一。例如，无人机可用于收集大规模灾害中的数据或用于执法活动，在边境巡逻中可用于跟踪入侵者，在野生动物保护中可用来对动物自然栖息地的跟踪等。多无人机协同编队跟踪能够提高对目标运动状态的估计精度并降低目标丢失的概率，同时可以增强抵御外界入侵的能力，因而具有重要理论意义和工程应用价值。 无人机协同编队跟踪地面目标的难点在于如何使多架无人机自动跟踪目标的过程中始终让目标维持在视野范围内，同时无人机能够有效地维持特定编队防止机间碰撞。本文首先针对多无人机分布式对地目标跟踪问题，构建了基于Lyapunov导航向量场的多无人机对地目标对峙跟踪理论与方法，综合航向控制和相位控制，使得多无人机以固定对峙半径收敛于目标上空的极限环，确保了无人机对目标跟踪的连续性。 其次，针对多源干扰问题将自抗扰控制方法应用于四旋翼无人机。根据四旋翼无人机动力学模型将控制器的设计分为三个通道，在自抗扰控制理论的基础上为四旋翼无人机各个通道分别设计了自抗扰控制器，所设计的自抗扰控制器在动态性能和稳态性能方面表现优越，具有良好的抗干扰能力和较强的鲁棒性。 最后，基于四旋翼无人机自抗扰飞行控制方法，以有限时间控制理论和多智能体二阶一致性算法为理论基础，建立了基于虚拟领导者航迹的主从式有限时间协调编队控制模型，分别设计了四旋翼无人机有限时间编队的位置控制器和姿态控制器，利用李雅普诺夫理论和一致性理论给出了闭环系统的有限时间稳定性推导，证明了所提出的控制器能够在有限时间内实现期望的队形和期望轨迹。通过与Lyapunov导航向量场对地目标环绕跟踪算法结合，实现了可适应多数目标运动轨迹的高抗扰、强稳定的多无人机协同目标跟踪。

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