多無人機協(xié)同編隊仿生飛行控制關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著單架無人機技術(shù)的發(fā)展日趨成熟，軍事和民事領域?qū)o人機的任務需求變得苛刻，人們開始關(guān)注生物界編隊鳥群（如大雁、天鵝等）長途遷徙的現(xiàn)象，分析生物系統(tǒng)的進化特征與行為規(guī)律，利用多無人機協(xié)同編隊飛行（Coordinated Formation Flight，簡稱CFF）與生物系統(tǒng)（個體或群體）的某些原理和行為相似性，將仿生學引入到CFF研究中，以期獲得類似鳥群長途遷徙的功效，如降低飛行阻力、節(jié)省燃油、延長巡航距離等。由于多無人機CFF控制技

2、術(shù)具有廣闊的工程應用前景，因此這一項目已在世界范圍內(nèi)激發(fā)了科研人員越來越高的研究熱情，但又因該項目需要涉及多學科和多技術(shù)領域，因此研究難度高。目前國外雖已取得了顯著的研究成果，但離工程應用還有很大的差距，而國內(nèi)研究才剛剛起步，還屬于理論跟蹤性研究，所以系統(tǒng)深入的研究多無人機CFF控制技術(shù)，逐步實現(xiàn)其工程應用已成燃眉之際。本文正是基于多無人機 CFF控制技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展背景，根據(jù)實驗室的實際情況，從多無人機編隊飛行的基本原理到功能的硬件實

3、現(xiàn)，采取環(huán)環(huán)相扣的研究方法，完成了多無人機CFF控制技術(shù)的前期研究工作。全文研究的多無人機CFF控制關(guān)鍵技術(shù)主要包括四個方面：多無人機CFF的氣動耦合模型、CFF中單架UAV的運動學和動力學模型、CFF控制器以及硬件在環(huán)的CFF測試平臺構(gòu)建技術(shù)。 論文首先總結(jié)了前人在這一領域內(nèi)已有的研究成果，并在此基礎上對緊密編隊飛行中非常重要的氣動耦合問題進行了系統(tǒng)的研究，然后分析對比了幾種常見的渦流模型，利用簡化的飛機結(jié)構(gòu)和一種近似平均有效

4、風和風梯度的計算方式，針對“長機-僚機”的V型編隊方式和非線性6 DOF的剛性飛機，確立了適合多無人機CFF動態(tài)特性研究的氣動耦合模型，繼而分析這種氣動耦合對飛機各種參量所產(chǎn)生的影響作用，并相應完成了對已有的標準飛機氣動力和力矩系數(shù)方程組的調(diào)整工作。 其次，利用第一階段的工作成果，論文給出了“長機-僚機”編隊方式下多無人機 CFF模型，通過慣性坐標軸系、速度坐標軸系與機體坐標軸系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，深入的分析了受翼尖渦流影響的CFF

5、中單架無人機的運動特性，同時給出了其特有的運動學和動力學模型。 論文的核心研究內(nèi)容之一是如何設計出一種能夠確保僚機實時跟隨長機飛行航跡的飛行控制器。在本文前期工作的基礎上，利用多無人機 CFF中的單架無人機的非線性動力學模型，針對飛機特有的運動規(guī)律，即飛機的狀態(tài)變量可按時間尺度的不同分成慢變量( )和快變量( )，對應的給出了雙環(huán)控制器的設計方法：外環(huán)利用帶積分消除跟隨航跡穩(wěn)態(tài)誤差的變結(jié)構(gòu)滑?？刂破?，內(nèi)環(huán)則采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡消除逆

6、誤差的動態(tài)逆控制器。整個設計過程緊緊圍繞多無人機CFF系統(tǒng)建立的要求，由長機航跡信息已知的理想假設，到完全不用知曉情況下實施目標跟隨，并保持特定的編隊隊形，層層深入地系統(tǒng)研究了飛行跟隨控制律，最后利用Matlab7.1對其進行仿真驗證。仿真結(jié)果表明該飛行控制器能夠確保僚機在長機產(chǎn)生的渦流場中保持編隊飛行的隊形結(jié)構(gòu)。 本文另一個核心研究內(nèi)容是硬件在環(huán)的多無人機CFF測試平臺的研制。文中詳細的闡述了多無人機 CFF系統(tǒng)的設計要求和軟

7、硬件實現(xiàn)過程。整個系統(tǒng)主要由三個子系統(tǒng)組成：無人機飛行控制系統(tǒng)（Flight Control System，簡稱FCS）、基于Statemate構(gòu)建的無人機虛擬樣機（Virtual Prototype，簡稱VP）以及地面測試系統(tǒng)。硬件測試平臺的設計中加入了FCS-VP思想，主要是基于低成本考慮，而FCS-VP雖然是一種數(shù)字化的軟件模型，但其設計理念與系統(tǒng)設計自動化（System Design Automation，SDA）完全一致，可以