卫星编队队形重构避碰技术研究

提出了一种新的考虑避碰约束的编队队形重构路径规划方法.首先通过常规编队重构规划方法得出各星的机动策略,以此预测重构过程中各星最小距离,将此最小距离大于安全距离作为约束条件,重新规划出队形重构轨迹.仿真结果表明,该方法计算量小,能够快速地规划出考虑避碰约束时的队形重构卫星机动轨迹,且能有效节省能量消耗.     

多无人机编队队形保持优化控制仿真研究

采用多无人机编队保持队形的优化控制可以通过调节较少参数使各无人机能够精确跟踪领航无人机,达到稳定编队队形的目的。以简化的自动驾驶仪模型作为编队保持控制系统的内回路,基于以长机为参考的旋转坐标系建立相对运动学模型,采用全局渐近稳定控制方法设计了多无人机编队保持控制器。经过仿真验证,该控制器实现了长机在三维空间机动飞行时僚机能够迅速跟踪长机并保持编队队形的稳定,且响应速度和跟踪精度较为理想。仿真结果表明,该控制器能够实现多无人机编队队形在三维空间下的保持。     

多旋翼无人机流场仿真分析

为了使多旋翼无人机编队飞行时避开单机产生的流场干扰较大的区域,通过CFD仿真软件对多旋翼无人机流场进行模拟仿真。结合实际情况设置模型参数,分析了当多旋翼无人机处于悬停状态时的流场特点,并通过试验获取数据与仿真结果对比。仿真分析了不同速度下的水平飞行以及上升和下降时多旋翼无人机周围流场的特点。根据对流场的分析,确定不同位置上无人机所受到的气动干扰情况,为更合理地设计编队队形,提高多旋翼无人机编队整体机动性和安全性提供了依据。     

基于改进一致性算法的无人机编队控制

编队飞行是指多架无人机保持以一定队形进行飞行的状态,相比于单架飞机执行任务,无人机编队能够增加搜索面积,提高飞机飞行性能,增大完成任务成功率。编队控制是实现编队安全高效完成指定任务的前提。本文以一致性理论为基础,针对无人机运动模型的特点与实际飞行要求,对基本的一致性算法进行改进,提出了改进一致性无人机编队控制算法。首先利用纵向和横侧向解耦的自动驾驶仪模型给出了无人机的三自由度运动方程,根据机动性与飞行性能要求定义了各方向上的加速度、速度与角速度约束。基于一致性理论,将编队控制分为平面与纵向2个方向进行,在状态控制的基础上,利用各状态变量间的几何关系对无人机运动自由度进行转换,加入编队队形信息,设计了编队控制算法。为了使算法生成的指令信号满足约束条件,提出了"最小调整"约束条件处理策略。依据粒子群算法对各无人机的爬升加速度进行优化,以避免机间碰撞。仿真结果表明：提出的编队控制算法具备编队成形与变换功能,能够使无人机编队状态快速收敛到指定值,且保持指定队形,无人机飞行状态满足所有约束条件。     

基于反步推演法的多机编队队形重构控制

针对多无人机（UAV）集结期望的队形和达到稳态速度缓慢影响作战效率，基于反步推演法设计了一种协同导引控制律，用于解决多无人机快速队形重构和快速达到稳定状态。本文以一架虚拟长机为中心，3架僚机在3个顶点组成的三角形编队作为被控对象，且长机的速度方向作为编队的前行方向，僚机跟随长机编队飞行。采用长机导引机制，建立每架僚机的误差动力学模型；基于图论建立任意两架无人机之间的通讯模式，通过反步推演法得到多无人机编队队形保持的导引控制律。通过构建合理的Lyapunov函数，证明所提出的控制方法在编队集结和队形保持的有效性，同时将所提出的方法与模型预测控制（MPC）方法和拉普拉斯方法进行对比，更进一步验证所提方法有效性。仿真结果表明：每架无人机不仅能够按照期望的队形飞行，而且以动态响应快和稳态误差小收敛于虚拟长机的运动轨迹。     

基于零空间方法的四旋翼无人机避障与协同编队控制

针对四旋翼无人机在编队飞行执行任务时可能遭遇障碍物问题,考虑多无人机避障及机间避撞的需求,提出 1种基于零空间方法的四旋翼无人机避障与协同编队控制算法。首先,建立四旋翼无人机动力学模型,并建立虚拟控制量简化控制模型;其次,基于零空间方法进行避障与协同编队控制算法研究,将无人机任务执行分解为目标趋向任务、避障避撞任务和协同编队任务,并根据优先级进行任务融合得到期望速度;再次,基于 PID方法设计控制律;最后,通过仿真验证所提控制算法的有效性。所提方法可保证四旋翼无人机在编队飞行中遭遇障碍物时的飞行安全。     

固定翼无人机编队的启发分布式模型预测控制

针对无人机编队飞行控制中队形保持、路径规划、重构、防撞等多重功能需求,采用启发型分布式模型预测控制框架,将需求转化为多目标优化问题中的代价函数与相容性约束求解,实现了对无人机编队飞行的一体化控制.同时,采用分阶段式的轨迹规划算法,融合模型预测轨迹规划与多项式轨迹规划,利用多项式轨迹系数实现高效的邻居轨迹信息交互,从而增大了模型预测控制的预测范围,并降低了规划控制过程中的计算量与通信量.最后,通过9架无人机的协同避障编队仿真,证明了该方法的有效性.     

一种基于一致性的四旋翼无人机编队避障方法

针对一致性方法无法实现四旋翼无人机编队避障的问题,在航迹规划空间中引入势场来避免编队无人机间和编队无人机与障碍物间发生碰撞。以一致性方法为基础引导四旋翼无人机形成期望队形,为提高算法的收敛速度并且避免四旋翼无人机之间发生碰撞,增加了目标点的引力场和无人机间的斥力场;为有效避开外部环境中的障碍物,增加了障碍物的斥力场,并且构建了四旋翼无人机编队避障控制协议。仿真结果表明,新构建的控制协议能够引导编队无人机有效避开障碍物,并且能够恢复预期编队队形。     

多无人机飞行控制系统设计与轨迹规划

为解决无人机单机任务的不足,提出了一种多参数分段式无人机轨迹规划方法,并基于此完成了四种编队队形的设计,设计并实现了多无人机编队飞行控制系统。通过开展编队飞行试验验证发现,轨迹跟踪偏差小于0. 16m,多自由度飞行速度平均误差0. 0093m/s,多无人机间距远大于无人机轴间距的2倍,验证了编队飞行控制系统的有效性。     

基于自抗扰控制技术的无人机编队控制器设计

针对无人机编队飞行控制系统,采用长机-僚机结构,建立以僚机速度方向为x轴的固连于僚机的旋转坐标系。根据无人机的自动驾驶仪模型以及两机的编队飞行几何关系,建立了编队运动数学模型,设计了分别适用于无人机航向和速度两个通道的自抗扰编队控制器。仿真结果表明,所设计的控制器可以通过控制编队间距,方便、精准地控制无人机编队飞行,能够实现无人机编队飞行过程中队形的变换和保持,且控制系统结构具有良好的扩充性。这种控制方法超调量小,鲁棒性强,优于传统控制方法。     

基于PX4飞控的多旋翼无人机编队跟踪系统设计

为解决单架无人机续航能力不足、执行任务单薄、应用场合受限等问题，目前多无人机协同跟踪具有极其重要的研究价值。以多旋翼无人机为研究对象，设计了一种基于 PX4飞控的多旋翼无人机协同编队系统。利用飞控底层软件，将设计的制导律进行移植，通过ROS系统对无人机进行外部控制，各个僚机和长机之间能够实时获取其他无人机位置，然后通过控制器得到指令速度，从而形成预设跟踪编队。仿真实验结果表明，整个编队系统对目标的跟踪精确有效，并且所设计的制导律可以在PX4飞控架构下实现对地面目标的编队跟踪，提高了多旋翼编队跟踪系统的稳定性。     

固定翼无人机编队集结控制算法研究

针对固定翼无人机协同作战时的编队集结问题，提出了一种新的路径规划和位置分配方法，并设计了包括航迹跟踪、高度保持和速度控制在内的自动驾驶仪。该路径规划算法通过矩阵迭代得到一组较优的目标点分配方案，满足总航程较小和同时到达约束。根据得到的各无人机飞向目标点的航迹，算出无人机编队集结的代价矩阵。在每架无人机确定了应飞航路后，开始沿航路飞向目标点，在此过程中，纵向采用高度保持自动驾驶仪，横向采用航迹跟踪自动驾驶仪，控制无人机按规定航迹飞行。速度调节自动驾驶仪可根据速度指令调节油门大小加减速，跟踪上目标速度，进而实现编队集结。仿真结果验证了所提出的编队集结控制方法的有效性和可行性。     

类X?47B无人机菱形编队气动干扰数值模拟

设计了一种由4架类X?47B飞翼布局无人机（UAVs）组成的菱形编队。通过求解RANS方程的数值模拟方法,研究了菱形编队无人机气动干扰问题,详细分析了影响机理,定量给出了编队减阻效果。计算结果表明:头机气动性能基本保持不变。两侧僚机受上洗气流影响,其减阻效果明显。尾机主要受下洗气流影响,其阻力增大,对编队久航和远航不利。在重力配平条件下,两侧僚机飞行阻力的减小是由攻角减小和诱导阻力减小共同引起的。尾机在编队中飞行阻力的增大主要是攻角增大带来的阻力增加,诱导阻力增大仅带来了20%的阻力增量。从减小下洗气流对尾机的不利影响出发,对不同垂向间距的尾机升阻特性进行了研究,并参考雁群头鸟变换行为机制,给出了无人机菱形编队飞行建议。      

某电动飞翼无人机横航向稳定性飞行试验研究

针对飞翼横航向稳定性和惯量特征,采用飞行试验的方法进行探索研究。通过设计不同横航向稳定性和不同惯量特征的飞翼试验机,对其进行飞行试验,对比其飞行试验结果,摸索电动飞翼无人机的横航向设计特点以及转动惯量的配置方法。该研究为此类飞机的稳定性设计提供了依据。     

小型无人机纵向飞行品质研究

目前针对无人机的飞行品质评估标准缺失,都是参照有人机飞行品质准则对无人机进行评价,而且评价的标准也不统一。通过对某小型无人机增稳前后的性能进行分析对比,验证了有人机飞行品质标准中的CAP准则和带宽准则对小型无人机的适用性,进而提出了小型无人机纵向飞行品质评定方法,对无人机飞行品质的研究具有一定的借鉴作用。     

无人机参数优化自抗扰编队保持控制器设计

针对无人机编队飞行中的队形保持问题,采用结合粒子群算法的自抗扰控制技术对控制器进行设计,使响应过程具有良好的动态品质和较小的稳态误差。建立三维空间内基于相对误差的无人机编队飞行模型,并在此基础上设计了跟踪微分器、扩展状态观测器和非线性状态反馈自抗扰控制器,采用粒子群算法对控制器中部分参数进行优化整定。仿真结果表明,设计的结合粒子群算法的改进自抗扰控制器具有良好的控制性能,能以较高的精度实现无人机编队保持任务。     

Flight safety measurements of UAVs in congested airspace

Describing spatial safety status is crucial for high-density air traffic involving multiple unmanned aerial vehicles (UAVs) in a complex environment. A probabilistic approach is proposed to measure safety situation in congested airspace. The occupancy distribution of the airspace is represented with conflict probability between spatial positions and UAV. The concept of a safety envelope related to flight performance and response time is presented first instead of the conventional fixed-size protected zones around aircraft. Consequently, the conflict probability is performance-dependent, and effects of various UAVs on safety can be distinguished. The uncer-tainty of a UAV future position is explicitly accounted for as Brownian motion. An analytic approximate algorithm for the conflict probability is developed to decrease the computational consumption. The relationship between safety and flight performance are discussed for different response times and prediction intervals. To illustrate the applications of the approach, an experi-ment of three UAVs in formation flight is performed. In addition, an example of trajectory planning is simulated for one UAV flying over airspace where five UAVs exist. The validation of the approach shows its potential in guaranteeing flight safety in highly dynamic environment.     

飞翼布局无人机抗侧风自动着陆控制

飞翼飞机是一种先进的飞行结构。但由于气动外形的特殊,无垂直尾翼的飞翼飞机在横侧向稳定性方面不如常规飞机。特别是在着陆阶段,极易受到侧风的干扰而使其偏离航线。本文针对飞翼飞机的特性,采用不同于常规飞机的控制律,设计了3种抗侧风控制方案。设计出的抗侧风控制系统经过仿真试验,结果显示,达到了预期的控制目标。