四旋翼无人机编队飞行的控制策略研究

发布时间：2017-05-08 17:04

  本文关键词：四旋翼无人机编队飞行的控制策略研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着科学技术的发展,服务机器人、无人机等无人设备受到人们的日益关注。对于单架无人机来说,它虽然有很多的优势,但也存在着相应的问题。比如它体积小,载重有限,续航能力差等。这些问题在一定程度上限制了无人机的应用,如何解决这些问题就成了四旋翼无人机研究的重点之一。近些年来,一些专家提出无人驾驶飞行器编队的概念,最初是针对空间飞行器。当然,这也可以用于无人机编队。本课题的主要内容有对四旋翼无人机的飞行控制系统的研究,编队队形约束,编队控制器设计、系统稳定性分析、仿真验证。要对四旋翼无人机进行编队飞行,首先应该了解四旋翼构成,熟悉其数学模型,完成对它的飞行控制,主要是速度的控制。然后采用超椭圆数学模型来描述四旋翼编队的期望队形,基于此提出编队飞行的控制策略,并对其进行理论分析和稳定性证明。对地面移动机器人编队问题的研究已经有了大量的研究成果,因此本文的首要任务就是要找出一种合适的编队控制策略。由于四旋翼无人机和地面机器人的控制模型有很大的不同,而且四旋翼无人机的控制较地面机器人要难,我们需要结合四旋翼无人机模型设计新的控制器。本课题拟采用一种基于位置误差和同步误差的同步控制算法来实现对四旋翼无人机的编队控制。首先基于超椭圆方程的位置约束,定义四旋翼编队的位置误差和同步误差,然后结合欧拉-拉个朗日动态方程设计出控制力矩。为了确保所设计的控制算法有效可行,首先需要从理论上对它进行稳定性证明。采用李雅普诺夫稳定性定理的分析方法,以确定该控制算法稳定的条件以及控制器中各个参数的选取范围。为了使无人机编队能够在复杂多变的环境下执行任务,应该保证无人机编队的队形可以灵活多变。首先建立无人机在不同环境中的编队队形,然后通过编队控制器的作用使得无人机编队可以在不同队形间进行切换。接着对编队控制算法进行仿真验证,首先采用MATLAB对它们做简化后的仿真比较,根据仿真比较的结果,以基于ROS和ODE开源动力学引擎的Gazebo来做进一步的无人机控制仿真。以此来检验编队控制算法的稳定性、灵活性以及容错能力。
【关键词】：四旋翼 速度控制器 编队控制 稳定性 Lyapunov函数
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V279;V249.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 课题研究的背景意义9-11
• 1.2 四旋翼的发展历程及编队研究的现状11-14
• 1.2.1 国外研究现状11-13
• 1.2.2 国内研究现状13
• 1.2.3 研究现状综述13-14
• 1.3 主要研究内容14-15
• 1.4 本文组织结构15-16
• 第2章 四旋翼的数学建模与速度控制16-28
• 2.1 四旋翼无人机的数学模型的建立16-24
• 2.2.1 四旋翼无人机的工作原理16-18
• 2.2.2 坐标系的建立18
• 2.2.3 作用在四旋翼上的力18-22
• 2.2.4 四旋翼的运动方程的建立22-24
• 2.2 四旋翼无人机的速度控制24-27
• 2.3 本章小结27-28
• 第3章 同步编队控制策略28-33
• 3.1 队形约束28-29
• 3.2 位置误差和同步误差定义29-30
• 3.3 同步控制器的设计及稳定性分析30-32
• 3.4 本章小结32-33
• 第4章 飞行编队算法对比研究33-38
• 4.1 基于领航-跟随的控制算法33-36
• 4.2 比较分析36-37
• 4.3 本章小结37-38
• 第5章 仿真验证38-57
• 5.1 领航跟随控制算法的MATLAB仿真38-39
• 5.2 同步控制算法的MATLAB仿真39-48
• 5.3 基于Gazebo的无人机控制仿真48-56
• 5.4 本章小结56-57
• 结论57-58
• 参考文献58-62
• 攻读硕士学位期间发表的论文62-64
• 致谢64

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 唐强,朱志强,王建元;国外无人机自主飞行控制研究[J];系统工程与电子技术;2004年03期

  本文关键词：四旋翼无人机编队飞行的控制策略研究，由笔耕文化传播整理发布。

，

本文编号：351512