【摘 要】
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随着四旋翼飞行器自主化与智能化水平的不断提高,已经被广泛应用于军事和民用领域。但是单体四旋翼飞行器的工作能力有限,难以完成某些特定场景的复杂任务,而多四旋翼飞行器编队协同工作能够有效的提升执行效率、弥补单四旋翼飞行器的局限,因此面向四旋翼飞行器协同编队控制的研究具有重要的意义。由于四旋翼飞行器编队协同控制实验系统价格昂贵,目前针对四旋翼飞行器协同编队控制算法的研究大部分都利用仿真的方式进行验证,缺
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随着四旋翼飞行器自主化与智能化水平的不断提高,已经被广泛应用于军事和民用领域。但是单体四旋翼飞行器的工作能力有限,难以完成某些特定场景的复杂任务,而多四旋翼飞行器编队协同工作能够有效的提升执行效率、弥补单四旋翼飞行器的局限,因此面向四旋翼飞行器协同编队控制的研究具有重要的意义。由于四旋翼飞行器编队协同控制实验系统价格昂贵,目前针对四旋翼飞行器协同编队控制算法的研究大部分都利用仿真的方式进行验证,缺乏真实物理系统实验平台的验证支撑。本文面向四旋翼飞行器协同编队控制算法的物理实验验证,开发了四旋翼飞行器协同编队控制实验平台的硬件及软件系统,设计出低成本、稳定可靠、扩展性强的四旋翼飞行器协同编队控制平台,并进行了实际编队协同控制的实验验证。本文的主要工作内容如下:（1）根据四旋翼飞行器的结构和飞行原理,基于动力学和运动学理论建立了四旋翼飞行器的数学模型,在此基础上采用领航跟随法对四旋翼飞行器协同编队控制系统进行设计,同时对四旋翼飞行器协同编队的定位方法与原理进行了分析。（2）根据四旋翼飞行器协同编队控制平台的需求,分别对控制平台的定位子系统、通信子系统和地面站子系统进行了设计。利用IMU惯性测量单元,设计了基于卡尔曼滤波算法的UWB/IMU融合定位子系统,提高定位精确度;利用稳定、低时延的P900数传模块设计了协同编队通信子系统,采用自定义Mavlink协议实现信息交互;利用C#语言对地面站子系统进行设计,提高了四旋翼飞行器协同编队控制人机交互的便捷性。（3）根据四旋翼飞行器协同编队控制系统性能要求,分别对四旋翼硬件系统和软件系统进行了设计与实现。考虑四旋翼飞行器机械系统、动力系统及电子系统的功能对其各部件模块进行选择并自主设计了飞控。考虑系统实时性需求,引入RT-Thread实时操作系统;考虑传感器数据误差,设计基于最小二乘法的椭球拟合校准方法;考虑飞行器主控芯片的性能限制,引入基于动态步长的梯度下降法进行姿态解算得到姿态角;设计了四旋翼飞行器串级PID飞行控制系统,实现了四旋翼飞行器的稳定飞行控制。（4）设计相关实验对四旋翼飞行器协同编队控制平台的性能进行测试。首先,通过四旋翼飞行器的定位实验,验证了本文设计的基于卡尔曼滤波UWB/IMU融合定位算法能够提升四旋翼飞行器定位精度。然后,通过四旋翼飞行器的姿态、位置控制实验,验证了本文设计的四旋翼飞行器飞行控制系统性能的稳定性。最后,通过基于领航跟随法的四旋翼飞行器编队实验,验证了本文设计的编队控制平台的可行性与稳定性。
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