基于Leader-Follower理论的四旋翼无人机编队控制系统研究

       随着现代控制技术的不断发展与进步,无人机技术经过几十年的发展,已经在军事领域和民用领域中发挥着不可或缺的作用。为了紧跟科技发展的潮流,除了提高单架无人机的功能和控制精度外,还需要考虑如何运用先进的现代控制理论,发展更为有效的无人机控制策略,从而无人机编队飞行控制技术的研究越来越受到各界的广泛关注。

       分析基于四旋翼无人机的多无人机编队控制策略,分别对单无人机系统和多无人机编队系统进行数学建模与系统分析;主要针对Follower对Leader轨迹的实时跟踪和Leader与Follower间航向角的准确同步问题展开研究,并且基于四旋翼无人机模型设计出轨迹追踪控制系统;基于现代控制理论完成整个编队控制系统的设计和稳定性分析。主要研究内容如下:

1、本文以多无人机编队控制系统为研究对象。基于Leader-Follower通信拓扑方案,并且通过Lyapunov稳定性判据与反步法的运用,在Leader和Follower的相互约束问题上展开深入研究。本文的控制策略不同于其他文献中介绍的多无人机编队控制方法,通过在Follower的机体轴坐标系下定义与Leader的相对位置误差变量的方法,并且在虚拟的Follower运动控制上增加足够的运动约束,在不需要准确地计算出用于Follower跟踪的Leader路径偏移量等参数的情况下,也可以实现具有丰富曲率的编队控制系统。

2、通过在Follower的机体轴坐标系下定义Leader与Follower间相对位置误差的设计思路,同时对多无人机间航向角的一致性展开研究。在实现多无人机编队轨迹控制的准确性和快速性的同时,确保编队控制系统对航向角的控制也满足收敛性的要求。结合非线性控制理论与无人机控制系统的结构特点,本文通过对Follower的姿态控制增加充足的运动约束,从而保证在Leader的轨迹曲线以及多无人机之间理想距离得到明确定义的情况下,实现Follower与Leader之间姿态角的稳定性控制。

3、以单无人机系统为研究对象,对单无人机控制系统中姿态镇定环与位置追踪环的稳定性控制展开研究。单无人机系统的姿态控制与路径追踪控制的研究是多无人机系统协同控制问题的前提条件,因此本文以非线性控制理论、空气动力学以及刚体运动学为基础,对单无人机控制系统展开研究,一方面完成单无人机控制系统中姿态环的快速镇定,另一方面实现单体无人机路径的准确追踪,为多无人机编队控制奠定基础的同时克服两个控制器由于耦合特性给控制所带来的难题。

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