基于四旋翼飞行器的无人机编队飞行控制研究

摘要

四旋翼飞行器是无人机领域一个重要的研究方向，其体积小、造价低、机动灵活，引起了世界各国的重视，同时也越来越受到学术界的关注。四旋翼飞行器具有结构简单、易于操控、运行可靠、安全性高等特点，也可以携带各种拍摄、通讯等设备，有着很大的应用前景。
　　在世界各国对于无人机的深入研究以及其应用领域的不断扩大的趋势下，人们期望无人机所具备的功能日益强大。面对高难度的复杂任务，单个无人机已经无法胜任，于是在这样的大环境下，多无人机系统顺势而生。近几年科学家提出了无人驾驶飞行器编队的概念，最初是针对空间飞行器，当然这一概念也可以应用于无人机编队上。人们通过长时间的研究分析生物群体的社会性现象有所启发，逐渐发现可以利用多无人机编队来弥补单无人机的不足，还能达到减小阻力、扩大飞行行程、节省了燃料等效果。本文研究四旋翼编队控制，目的就是克服单个四旋翼的缺陷，通过他们之间的相互协调配合，使整个四旋翼编队的功能发挥到最大。
　　本课题是关于四旋翼飞行器的编队飞行控制，其主要研究内容有：四旋翼无人机的工作原理及组成结构，编队控制器的设计，实验及仿真验证等。要对四旋翼飞行器进行编队飞行控制，在了解四旋翼结构的基础上，建立起数学模型，设计好编队控制算法，完成对它的飞行控制。编队方式选用领航-跟随法，在构建四旋翼编队非线性模型的基础上，利用模型预测控制方法，滚动求解优化控制问题，从而得到系统控制输入，这里采用差分进化算法在每个滚动时域内进行优化求解。
　　为了验证所提出算法的可行性，分别进行了实验以及仿真验证，实验结果表明，所设计的编队控制理论具有良好的性能。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景意义

1.2 四旋翼的发展及编队研究的现状

1.3 模型预测控制算法研究现状

1.4 主要研究内容及章节安排

第2章 四旋翼飞行器的预备知识

2.1 四旋翼系统的工作原理

2.2 四旋翼飞行器的硬件平台搭建

2.3 四旋翼无人机的数学建模

2.4 本章小结

第3章 无人机编队控制理论

3.1 编队控制系统

3.2 基于领航-跟随的控制算法研究

3.3 本章小结

第4章 基于DE算法的MPC控制研究

4.1 模型预测控制

4.2 差分进化算法

4.3 本章小结

第5章 四旋翼编队控制器的设计

5.1 基于DE算法的四旋翼编队MPC控制器的设计

5.2 障碍物避免

5.3 相互碰撞避免

5.4 优化问题

5.5 本章小结

第6章 编队算法效果验证

6.1 实验验证

6.2 仿真验证

6.3 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢