摘要
随着无人机技术的不断发展，其应用领域逐渐扩大，所执行的任务也逐渐变得重要化和复杂化。例如，地质勘测、灾难救援、军事侦察及作战等。在面对上述任务时，如果仅使用单架无人机，无法保证任务的执行效率以及成功率，这是因为单机存在能力受限、生存率低等缺陷。相较而言，采用多架无人机协同执行任务可以极大的改善这一情况。在任务的执行过程中，对多机的编队协同控制是重要环节，本文以多架四旋翼无人机为研究对象，对其编队的协同控制问题展开研究，主要包括以下几个方面的内容： 首先，研究了无人机集群的一致性控制问题。针对一阶无人机集群，以无人机的位置信息作为协作变量，根据一致性理论设计了集群的位置一致性控制策略，并通过李雅普诺夫函数对策略中控制律的稳定性进行了证明。通过仿真分析了控制参数对策略控制效果的影响并验证了策略的有效性。在此基础上，针对二阶无人机集群，增加无人机的速度信息作为协作变量，设计了集群的位置-速度一致性控制策略，并采取同样的方式证明了其控制律的稳定性。同样通过仿真分析了控制参数对策略控制效果的影响以及验证了策略的有效性。为后续无人机集群的编队一致性协同控制奠定了基础。 其次，提出了无人机集群的编队协同控制策略，并对其进行了应用上的研究。本文的编队控制策略主要分为两部分，首先是根据参考点的位置信息生成虚拟控制点集合，并根据距离均衡原则完成虚拟控制点与无人机之间的合理配对，对各无人机的期望状态信息进行实时更新。其次是通过一致性控制策略实现各无人机在状态信息上的一致性，进而实现对无人机编队的协同控制。通过仿真验证了编队控制策略的有效性。在此基础上，针对目标搜索与围捕任务，并结合VFH+避障控制方法，设计了相应的多无人机协作策略。特别地，针对在目标围捕任务中各无人机到达配对围捕点时间不一致会降低任务成功率的问题，建立了多机的时间一致性约束，并以此来调节各无人机的速度。通过仿真验证了多无人机目标搜索与围捕协作策略的有效性。 最后，结合UE4与MATLAB/Simulink，搭建了无人机编队的三维可视化仿真平台。在UE4中，构建了红色目标并计划以目标中心点作为编队控制策略中的参考点。在 MATLAB/Simulink 中，通过设计的基于 Blob 分析的红色目标识别及目标中心点在世界坐标系下的坐标值解算方法建立了与UE4的关联，实现了两者之 间的联合仿真。通过三维可视化仿真进一步验证了编队控制策略的有效性。在这之后，通过基于光学运动捕捉定位的网联无人机编队实验平台对所提出的编队控制策略进行了真机实验，对无人机编队的位置一致性以及时间一致性进行了验证。
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