基于统一人工势场的多无人直升机航迹跟踪与协同编队综合控制方法研究

The cooperative control of multi-UAV formation flying is a high level requirement of the autonomous control technology development for UAVs. Although the multiple unmanned helicopter formation flying has irreplaceable wide use in the military and civil fields, but at present the world's unmanned helicopter autonomous control technology is still at a relatively low level. The project intends to track the advanced technology in the multi-UAV formation cooperation control research field and study the comprehensive design problem of path planning, trajectory tracking and formation control for multiple unmanned helicopters under the framework of unified artificial potential field. Firstly, a unified artificial potential field is established by designing the proper artificial potential field function. The introduction of "traction force" combined with segmentation and hierarchical method is used to solve the problems such as goals unreachable, falling easily into local minimum and no evaluation mechanism of path tracking. Secondly, considering the actual dynamic characteristics of unmanned helicopters, the improved artificial potential field method, combined with adaptive robust control theory, graph theory and consistency theory, is adopted to design comprehensive control for path planning, trajectory tracking and formation coordination and analysis system stability and uniform convergence in the uncertain network. Finally, numerical simulation, software visual simulation and preliminary physical verification experiment are carried out to provide experimental basis for engineering application.

多无人机编队飞行协同控制是无人机自主控制技术发展的较高层次要求。虽然多无人直升机编队飞行在军事和民用领域都具有不可替代的广泛用途，但目前世界各国的无人直升机自主控制技术水平还处在较低层次。本项目结合国内外关于多无人机编队飞行协同控制研究前沿，构建统一人工势场框架，研究多无人直升航迹规划、航迹跟踪与编队控制的一体化综合设计问题。首先，通过设计适当的人工势场函数，建立统一人工势场，采取引入“牵引力”并结合分段、分层方法解决人工势场法中的目标不可达、易陷入局部极小值和无航迹评价机制等问题；其次，考虑无人直升机的实际动力学特性，以改进人工势场法为核心，结合鲁棒自适应控制理论、图论方法和一致性理论进行航迹规划、跟踪与协调编队的综合控制设计，并分析在网络存在不确定性情况下的系统稳定性和一致收敛性；最后，开展数值仿真、软件视景仿真和初步的实物验证实验，为工程应用提供实验基础。

本项目在统一人工势场框架下研究多无人直升航迹规划、航迹跟踪与编队控制的一体化综合设计问题。以改进势场法为核心，采用Leader-Follower编队模式，结合图论方法、一致性算法和鲁棒自适应等理论进行航迹规划、跟踪与协调编队的综合控制设计，并分析在网络存在不确定性情况下的系统稳定性和一致收敛性，开展数值仿真、视景仿真和实物验证实验。主要取得了如下成果：.1、根据多无人直升机编队实际飞行过程中采用的Leader-Follower模式和其自身的机械结构，结合图论理论建立适用于在势场环境下的无人直升机模型及协同控制的无人直升机模型；.2、考虑势场法应用于多无人直升机协同控制存在的目标不可达、易陷入局部极小值且分层越多规划速率越慢等问题。在分层势场函数中分别引入引力影响因子和斥力影响因子解决目标不可达问题，引入“牵引力”解决易陷入局部极小值问题，提出自适应扩展势场算法对航迹进行优化，并在统一势场框架下进行多无直升机航迹规划/跟踪与协同编队一体化综合控制；.3、考虑固定障碍物应用于势场法的无人直升机航迹规划时，无人直升机存在无法辨别航迹优劣的问题，提出了一种由图论和势场理论相结合的分布式编队控制策略，引入分段思想、旋转力、机间势场力来改进势场合力函数，以解决可能出现的目标不可达、死锁、编队安全问题，精准实现编队避障、避碰与航迹预规划；.4、复杂网络情况下多无人直升机实时编队飞行过程，存在通讯数据丢包或网络延迟等所造成的网络不确定情况，必然会对多无人直升机的编队飞行造成一定的影响，采用滑模控制理论设计的编队控制器。同时，针对多无人机形成期望队形后无法成功避开威胁的情况，采用势场法对多无人机编队的飞行路径进行实时规划； .5、多无人直升机视景仿真与实物验证实验对所设计的综合控制算法进行数值仿真，利用OSG搭建仿真平台进行视景验证，利用3架无人直升机组成多无人直升机编队进行实物验证实验，相比多无人直升机视景仿真，实物验证实验是所设计的控制算法通向工程应用的桥梁。