基于自适应动态规划的多四旋翼无人机编队控制方法研究

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四旋翼无人机具有结构简单、机身质量轻、灵活性强而且能够垂直起降和定点悬停等优点,在环境监测、目标搜索、事故救援等领域得到了广泛应用。与单无人机执行任务相比,多无人机共同执行任务具有负载能力强,传感器性能多样,巡航能力较强等优点。因此,论文以四旋翼无人机为研究对象,重点对四旋翼无人机单机与编队控制方法展开研究,主要内容有:(1)针对综合扰动影响下的四旋翼无人机跟踪控制问题,提出了基于滑模与自适应动态规划的轨迹跟踪控制器设计方法。首先,考虑模型参数不确定及外界干扰等综合扰动的影响,基于终端滑模方法设计有限时间干扰观测器,实现对综合扰动的快速估计;其次,考虑四旋翼无人机内-外环控制结构,分别设计基于自适应动态规划的标称控制器和基于滑模的补偿控制器,在此基础上设计标称控制器参数更新规则,使无人机能够根据实时飞行状态调整控制参数;最后,采用Lyapunov方法给出闭环系统的稳定性证明,确保四旋翼无人机对外界综合干扰在线估计的同时,实现对给定轨迹的自主跟踪控制。(2)针对综合扰动影响下的多无人机编队控制问题,提出了基于神经网络的自适应动态规划编队控制器设计方法。首先,采用滑模方法设计干扰观测器,进一步根据综合扰动估计值设计代价函数,将综合扰动影响下的编队生成与保持控制问题转换为标称编队误差系统的最优稳定控制问题;其次,分别构建神经网络用以近似最优代价函数和最优编队控制器,完成基于自适应动态规划的编队位置控制器设计;然后,对每架无人机进行姿态解算并设计有限时间姿态跟踪控制器,保证姿态的快速调整;最终,通过仿真实验,验证多无人机系统能够实现对期望编队构型的自主生成和保持控制。(3)针对计算资源有限的多无人机编队控制问题,提出了基于事件触发与自适应动态规划的编队控制器设计方法。首先,为了节约计算资源,根据事件触发时刻的采样状态设计事件触发条件,获得与采样状态相关的编队控制器形式;然后,构建单个神经网络近似最优代价函数,并基于代价函数与编队控制器关系获得令代价函数最优的编队控制器,完成基于事件触发的自适应动态规划编队控制器设计;最终,经过仿真验证,确保多无人机系统在计算资源有限的条件下,能够稳定自主的完成编队生成和保持控制。
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