摘要
无人机集群可以通过多元化的方式快速投送到目标作战区域，协同完成侦察、干扰、攻击等军事任务，实现对热点地区的战役对抗和战略威慑，因而在军事领域具有广阔的应用前景。近年来，无人机集群受到了研究人员的广泛关注。其中，无人机群体协同控制是集群完成作战任务的基础，因而成为了该领域的研究重点。本文的研究工作针对无人机集群拓扑保持和协同避障算法的设计与实验验证展开，主要研究内容包括：（1）设计了一种基于集群参考点的无人机集群拓扑保持算法。本文针对人工势场法在协同控制方面的不足和虚拟结构法在障碍规避、碰撞避免方面的不足进行改进，将人工势场法中的吸引力、排斥力作为无人机集群间碰撞避免的方法，同时基于虚拟结构法中的虚拟结构质点提出集群参考点的概念，通过集群参考点组织、控制队形，飞行过程中跟随者无人机仅需跟随集群参考点移动即可达到集群拓扑保持的目的。仿真结果表明，采用本文算法得到的拓扑保持性能优于典型的刚性虚拟结构法和柔性虚拟结构法。（2）设计了一种多旋翼无人机集群协同避障算法。无人机集群的协同避障方法决定了无人机集群能否安全地抵达目标点，传统的人工势场法能够实现单机障碍规避，但在某些情况下容易陷入局部极小值，进而震荡导致无法抵达目的地，且对于集群的拓扑保持不够有效。本算法通过虚拟目标点和随机扰动力两种方法弥补传统人工势场法的不足，并与本文设计的集群拓扑保持算法结合，实现了无人机集群的协同避障，能够在任务结束时保持初始队形不变且在飞行过程中规避障碍，避免碰撞。仿真结果证明了本文提出的协同避障算法的优越性。（3）对多旋翼无人机集群的拓扑保持算法和协同避障算法进行实验验证。目前大部分的无人机集群算法仍然停留在软件仿真和软件模拟阶段，缺少真实实验数据的支撑，本文在实验室自主研发的无人机集群实验平台上分别实现无人机集群拓扑保持算法和无人机集群协同避障算法，实验结果和仿真结果的对比证明了本文提出算法的有效性。
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