多无人机系统的分布式通信网络构建及编队控制研究

摘要

近几十年来，无人机凭借其机动性强、安全性高、操作简单等特点，在军事和民用领域得到了广泛的应用。但是随着任务的复杂度和难度不断提高，单架无人机往往很难达到预定的目标，因此多无人机协同执行任务已经成为今后的研究热点和关键技术。在多无人机编队系统中，通信组网技术和编队队形控制是最为关键的两个研究方向。传统的编队控制方法分析和实现较为简单，一般采用集中式的通信策略，这使得编队中心的通信和计算压力较大。无人机需要根据任务的变化进行不同队形的切换，通信拓扑结构需要相应地做出改变，构建可靠的通信网络实现无人机之间的信息交互，对实现多无人机编队飞行控制至关重要。此外，无人机容易受到外界或者其他无人机的干扰，编队系统对于未知扰动的鲁棒性也是重点。针对上述问题，本论文完成的主要研究工作如下：　　1)本文搭建了一套室内多无人机编队实验平台，该平台利用运动捕捉系统提供无人机的定位信息，每架无人机搭载一块微型计算板进行数据的处理和控制算法的实现。为了满足分布式的信息交互，采用XBee模块实现了分布式通信自组织网络的构建。该系统能实现任意两架无人机的信息交互，数据传输路径的选择由网络自主完成。　　2)本文采用虚拟结构法对多无人机系统进行分析，为避免虚拟中心的通信压力过大，引入相邻无人机的跟踪状态，实现分布式的编队控制。同时考虑近距离编队飞行时无人机之间存在的气流干扰，基于super-twisting算法设计了一种针对多无人机的鲁棒编队控制算法。利用Lyapunov分析方法，证明了编队误差能在有限时间内收敛到滑模面，得到闭环系统全局渐近稳定的结果。最后，通过实验验证了所提方法的有效性。　　3)进一步地，考虑到无人机在进行实际的编队飞行时需要进行复杂的队形变换，本文设计了相应的控制算法实现切换通信拓扑结构下的编队控制。同时基于super-twisting算法设计扰动观测器，对飞行过程中可能存在的外界干扰进行估计。通过Lyapunov方法证明了闭环系统的渐近收敛性。实际的飞行实验结果表明，本文所提控制策略能实现通信拓扑结构切换条件下的无人机编队控制，并对外界扰动具有较好的鲁棒性。

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