无人机编队飞行队形控制的研究

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1、摘要由于具有结构简单、尺寸小、造价低、使用灵活、适应性强和不必冒生命危险等特点，无人机现已得到各国的广泛关注。无人机的编队飞行又具有单机飞行所没有的特点和优势，因此具有更为广阔的发展前景。队形保持是无人机编队完成各种任务的前提，而如何使多架无人机保持近距离编队飞行是目前的研究热点之一。本文以无人机的编队飞行为研究背景，着重研究其队形控制问题。首先，对无人机编队飞行队形控制的基本理论进行总结比较，分析了三种常用的无人机编队飞行队形控制策略及其特点，总结了无人机编队飞行队形控制的六种主要方法，并分析每种方法

2、的优缺点。其次，直观的将编队中的无人机分为长机和僚机两种角色，分别在惯性坐标系和速度坐标系上研究长机和僚机的数学模型，并在长机僚机跟随模型的基础上设计了队形控制的PID控制器，再通过实验仿真，验证了在长机僚机跟随模型中设计的PID控制器对队形控制的有效性。再次，对控制器参数设计的优化问题进行研究，引入了粒子群优化算法，研究了粒子群优化算法的基本原理和实现过程，并针对队形控制的PID控制器设计了粒子群优化算法的参数优化模型，使系统得到优化后的PID控制性能，实验结果证实了所设计的粒子群优化算法对控制器参数

3、优化的有效性。接着，研究了滑模变结构控制的基本思想和高阶滑模控制理论，并针对PID控制器和传统滑模变结构控制抑制干扰能力不足的缺点，利用二阶滑模超扭曲控制理论对无人机编队飞行的队形控制进行设计，并通过实验仿真，表明所设计的控制策略具有较好的抗干扰能力，并能很好地保持编队的队形稳定。最后，对混合动态系统和合成扩展原理进行研究，应用合成扩展原理将原来的相互关联的系统扩展为几个相互独立的子系统，并将每架无人机当成是混合动态系统，在扩展后的子系统中设计离散和连续控制器，然后再次应用合成扩展原理，将控制器应用于原

4、系统中。仿真结果表明，该控制方法可以有效地实现无人机编队飞行的队形控制。关键词：无人机编队飞行，队形控制，参数优化，滑模控制，混合动态系统ABSTRACTIntheseyears，witllitssmallsize，simplestructure，lowcost，flexible，adaptableanddon'thavetorisklife，UAVhasaccesstoworldattention．UAVsformationflighthascharacteristicsandadvantageswh

5、ilesingleflightdoesnothave．Asaresult,ithasabroaderprospect．MaintainformationisthepremisetocompletethetaskoftheUAVsformation,andhowtomakeUAVske印closeformationflightisthecurrentresearchfocus．Inthispaper,wefocusoncontrolproblemofUAVsformationflightbasedonth

6、eUAVsformation．First,thepaperstudiesthebasictheoryoftheUAVsformationflightcontr01．ThreecommonlyusedcontrolstrategyandtheircharacteristicsareanalyzedforUAVsformation．Sixmaincontrolme也odsofUAVsformationaresummarized,andtheadvantagesanddisadvantagesofeachme

7、thodareanalyzed．Secondly，theUAVsintheformationareintuitivelydividedintoaleaderandsevernlfollowers，andthemathematicalmodelofleaderintheinertialframeandfollowersinthespeedcoordinateframearerespectivelystudied．ThendesignthePIDcontrollerbasedontheleader-foll

8、owermodelandthroughsimulationexperimentstovenfytheeffectiveofthePIDcontrollerintheleader-followermodel．Moreover,thepaperstudiesthebasicprincipleandimplementationprocessofthePSOalgorithmandstudiesthecontrollerparametersopti