多旋翼飞行器安全编队飞行的共享控制方法研究

Groups of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) are promising in many applications such as large-scale surveillance, safety inspection, and search and rescue missions. But due to the complexity and unpredictability of real-world scenarios, unexpected collisions and crashes often happen. Complete autonomy of UAVs is inappropriate or hard to reach. In this project, the Multirotor Aerial Vehicles (MAVs) are selected as the UAV research platform. Our research interest focuses on bilateral teleoperation of groups of UAVs based on shared control for safe formation flight and remote navigation purposes. Key problems to be investigated include the design of a bilateral teleoperation channel, distributed topology control and recovery from collisions. The overall shared control architecture for bilateral teleoperation of groups of UAVs is proposed. A distributed topology controller independent of centralized control of the master side is also proposed. A collision detection based recovery method is proposed to enable the UAV to take off again after a crash. The ultimate goal of this project is to improve the stability and robustness of the UAV groups in formation flight by combining the autonomous flight control and the collision handling capabilities of the UAV groups with the intelligence of human operators. Therefore the UAV groups will be ready for real-world applications soon.

多个无人机（Unmanned Aerial Vehicles）组成的机器人系统在执行大范围的侦察探测、安全巡检和灾后搜救等任务时，具有得天独厚的优势。但是鉴于很多实际应用场合的复杂性，碰撞坠落等意外时有发生，对UAV尤其是UAV群采用全自主控制方式并不合适或很难实现。本项目选择多旋翼飞行器平台，以安全编队飞行与导航为核心目标，对基于共享控制的多UAV双边遥操作方法进行研究与探索。我们针对双边遥操作通道的建立、分布式拓扑控制以及失控坠落后的复飞等关键问题，提出多UAV双边遥操作系统的总体共享控制框架、不依赖于主端集中控制的分布式拓扑控制器以及基于碰撞感知的复位方法。我们通过将操作员的智能与UAV群的自主飞行控制能力结合，充分利用操作员与UAV群之间的双边交互作用，同时加强UAV自身的碰撞处理能力，期望有效提高多UAV系统在编队飞行中的稳定性与健壮性，加速这种智能系统的实用化进程。

项目研究了多个无人机（Unmanned Aerial Vehicles）安全编队飞行的双边遥操作控制方法，完成了全部研究内容，达到了预期目标，完成的工作主要包括：（1）建立了多UAV 双边遥操作系统的总体共享控制框架，提出了位置——速度的工作空间映射方法，解决了主从端运动学/动力学以及运动空间的不匹配问题；（2）提出了分布式阻尼介入方法，解决了非对称时变时延对双边遥操作系统造成的系统性能降低甚至不稳定的问题，克服了传统波变量方法引入的位置漂移问题；（3）设计了一种分布式拓扑控制器，能够自主地根据从端障碍物环境状况动态调整拓扑，同时能及时响应主端操作员的指令；（4）研究了旋翼飞行器飞行过程中的各种碰撞与失控坠落的机理和特性，设计了保护与复位装置，提高了UAV 自身以及整个系统健壮性；（5）研制了一种具备空中作业能力的小型四旋翼飞行器，设计了重心调节机构，完成了空间物体抓取任务，进一步拓展了旋翼型飞行器可完成的任务类型。.项目发表论文27篇，其中SCI收录9篇，EI收录27篇，申请发明专利30项，其中已授权23项，培养博士后1名，博士生5名，硕士生9名，负责人获国家技术发明奖二等奖1项（第二），江苏省科技进步奖一等奖（第二），教育部技术发明奖一等奖1项（第三）。