【摘 要】
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无人机作为空间智能时代的开拓者,已经在航拍摄影、竞技娱乐、环境检测、农林应用、建筑消防、国防公安、科研教育等多个前沿领域得到广泛应用,它给消费者带来舒适、便捷、多样的生活体验,同时以其安全、高效、智能的服务为社会各业创造巨大价值,它正在重塑人们的生产和生活方式。当下,无人机在能源的安全检测、危险预警;公安消防的侦察、搜救;以及地质灾害、疫情等重大社会公共安全应急保障中发挥着举足轻重的作用,而在日趋
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无人机作为空间智能时代的开拓者,已经在航拍摄影、竞技娱乐、环境检测、农林应用、建筑消防、国防公安、科研教育等多个前沿领域得到广泛应用,它给消费者带来舒适、便捷、多样的生活体验,同时以其安全、高效、智能的服务为社会各业创造巨大价值,它正在重塑人们的生产和生活方式。当下,无人机在能源的安全检测、危险预警;公安消防的侦察、搜救;以及地质灾害、疫情等重大社会公共安全应急保障中发挥着举足轻重的作用,而在日趋复杂的社会生产环境中,单无人机已无法满足任务需求,应运而生的多无人机编队控制研究成为热点并吸引着全世界大批科研工作者为之奋斗不息。在多无人机编队控制系统中,无人机之间的通信必不可少,彼此的信息交互过程会碰到许多问题,通信网络带宽受限、网络遭受攻击、以及无人机自身故障等时有发生,这些不可抗因素造成的通信约束问题给多机编队工作带来巨大挑战。因此,通信约束下的无人机协同编队控制研究尤为重要,本文根据实际工作生产需求,充分考虑无人机本身特点和硬件特性,对于不同类别的通信约束问题,给出相应的编队控制策略以及控制器设计方法,优化多无人机之间的通信质量和多机互联系统的控制性能,提高无人机编队飞行的安全性、可靠性,以实现预期的时变编队控制目标。本文的主要研究内容如下:首先,对与无人机相关的图论基本概念进行了介绍,为下文基于图论方法建立无人机编队系统中的通信拓扑结构奠定了基础;然后对无人机的动态模型进行了简单介绍以及对编队问题进行了阐述,包括无人机动态模型的线性化和编队跟踪误差的定义。最后介绍了本文所用事件触发机制以及基本原理。为提高无人机之间信息交互通信质量,降低通信负担,引入了一种事件触发策略,每个无人机的状态信息只有在满足相应触发条件时才传输给与其相邻的无人机的控制端。同时,当系统遭受干扰时,此事件触发机制可以帮助系统抵抗敏感的状态波动并获得更多状态信息,进而获得更好的控制性能。利用事件触发机制减少通信次数,在通信宽带受限的情况下,多无人机仍然可以实现预期编队控制目标。随后,考虑了编队过程中无人机自身执行器失效故障问题,在本文所提出的事件触发通讯机制下研究了无人机编队的故障容错控制器设计问题。首先,建立集触发条件、执行器故障于一体的编队控制律;其次,通过构造Lyapunov-Krasovskii泛函,综合应用时滞系统理论、Jensen不等式、schur补引理等,推证出了系统可容错故障的完整性充分条件,进而进行容错控制器与事件触发矩阵的协同设计,实现了容错控制与网络通讯间的协同设计目标;最后,我们利用仿真算例验证了所得理论结果的有效性与可行性。最后,针对无人机之间数据传输过程中遭遇欺骗攻击的情形,设计合理有效的多无人机编队控制方案。利用事件触发机制减少无人机之间的冗余信息传输,在通信网络中考虑时延的影响,构建存在时延的欺骗攻击下多无人机协同编队控制系统模型,结合事件触发机制设计了系统在遭受欺骗攻击时的多无人机系统编队跟踪控制方案,并对多无人机编队系统在欺骗攻击下的安全控制综合问题开展研究,如进行控制器设计等,随后利用李雅普诺夫泛函法证明系统的渐进稳定,并求出控制器参数。
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