【摘 要】
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植保无人机作业具有效率高、质量好、适应性广、成本低和应付突发灾害能力强等特点,正越来越受到社会各界的广泛重视。但目前植保无人机存在有效载荷少、滞空时间短等问题,单架作业时必须配有专人操控和专人换药、充换电池等,对作业效率和能量利用率的提升产生较大影响,是当前制约植保无人机快速发展的重要因素之一。采用多无人机编队协同作业是提高解决上述问题的有效途径,本课题拟设计一种主从式（L-F,Leader-Fo
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植保无人机作业具有效率高、质量好、适应性广、成本低和应付突发灾害能力强等特点,正越来越受到社会各界的广泛重视。但目前植保无人机存在有效载荷少、滞空时间短等问题,单架作业时必须配有专人操控和专人换药、充换电池等,对作业效率和能量利用率的提升产生较大影响,是当前制约植保无人机快速发展的重要因素之一。采用多无人机编队协同作业是提高解决上述问题的有效途径,本课题拟设计一种主从式（L-F,Leader-Follower）无人机编队协同控制系统,通过多机协同的形式提高植保无人机单架次的作业效率,具有一定的实际应用价值。本文在研究分析国内外多无人机编队协同控制系统发展现状的基础上,搭建了一种L-F式多旋翼无人机编队协同控制系统,设计了两种编队协同控制算法:基于多源信息融合（MSIF,Multi-Source Information Fusion）的GNSS-CMC（Global Navigation Satellite System Coordinate Migration Conversion）编队协同控制补偿算法和基于自适应控制和时延补偿（AC-TDC,Adaptive Control and Time Delay Compensation）的GNSSCMC编队协同控制算法,并进行了对比试验。主要研究工作及结果如下:（1）分别自主搭建了3叶桨（蝴蝶型穿越无人机）和2叶桨（S500型）两种可用于无人机编队协同控制的机型,从中优选了2叶桨作为无人机编队协同控制的试验机型,单架无人机最大负载可达2kg,最长续航时间可达25min,在此基础上采用PIXHAWK开源飞行控制系统作为核心器件;基于微对象请求处理器异步通讯机制（u ORB）设计了适用于编队协同控制的新主题（topic）,实现了飞控系统内部模块之间的多进程异步通信;构建了基于XBee的Mesh网格网络,实现了多无人机间自组网通信,在受到干扰时最大限度降低丢包率;基于优化改进的MAVLink通信协议,采用C#语言设计了基于Windows操作系统的编队协同地面控制站软件,实现了一个地面站对多个无人机的协同控制;重构了PX4固件中飞行控制栈层的Commander与Navigator两个模块,确定了L-F式多旋翼无人机编队协同控制系统的软硬件总体设计方案。（2）采用基于分布式控制策略的L-F编队控制方式,构建了适用于L-F编队的GNSS坐标系偏移转换公式,设计了基于位置坐标、航向角和速度等位姿参数的多源信息融合（MSIF）的GNSS-CMC编队协同控制算法,并采用S500型四旋翼无人机进行了算法的编队飞行测试试验。试验中,设置了1架主机（Leader）,2架僚机（Follower）,进行编队飞行,试验结果表明,僚机跟踪航线的平均距离均方根误差为3.123m,最大偏差4.535m;僚机的速度跟随最大延迟时间为4.700s,最小延迟时间为3.000s,平均延迟时间为3.775s。（3）针对在编队飞行过程中出现的队形控制精度较低和信号响应速率较慢等问题,在MSIF算法基础上又提出了一种基于自适应控制和时延补偿（Adaptive Control and Time Delay Compensation）的GNSS-CMC编队协同控制算法,并采用S500型四旋翼无人机进行了算法的编队飞行测试试验。试验中,同样设置了1架L和2架F进行编队飞行,试验结果表明,僚机跟踪航线的平均距离均方根误差为0.708m,最大偏差0.850m;僚机的速度跟随最大延迟时间为0.700s,最小延迟时间为0.400s,平均延迟时间为0.525s。大大提高了编队飞行过程中队形的控制精度和无人机对指令信号的响应速率。
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