多四旋翼無人機(jī)固定時(shí)間編隊(duì)控制

多四旋翼無人機(jī)固定時(shí)間編隊(duì)控制

多四旋翼無人機(jī)固定時(shí)間編隊(duì)控制

摘要：本文提出了一種基于PID控制的多四旋翼無人機(jī)固定時(shí)

間編隊(duì)控制方法。首先，設(shè)計(jì)了四旋翼無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)模型，并

在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了編隊(duì)下的數(shù)學(xué)模型。然后，根據(jù)PID控制器

的理論，在編隊(duì)中引入領(lǐng)航和從航控制器，分別控制編隊(duì)中的

領(lǐng)航和從航四旋翼無人機(jī)的姿態(tài)與位置。同時(shí)，調(diào)整控制器的

參數(shù)，實(shí)現(xiàn)飛行器間的協(xié)同控制。在此基礎(chǔ)上，利用

Simulink進(jìn)行仿真，并進(jìn)行控制器的參數(shù)調(diào)優(yōu)。仿真結(jié)果表

明，該控制方法能較好地實(shí)現(xiàn)多四旋翼無人機(jī)的編隊(duì)控制。

關(guān)鍵詞：四旋翼無人機(jī)，編隊(duì)控制，PID控制，Simulink仿真,

協(xié)同控制

1.前言

隨著近年來無人機(jī)相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的應(yīng)用場(chǎng)景

呼喚著無人機(jī)編隊(duì)控制技術(shù)的研究和發(fā)展。在一些實(shí)際應(yīng)用中,

需要多架無人機(jī)按照一定的規(guī)律和時(shí)序組合形成編隊(duì)飛行，以

完成任務(wù)的需求。不同于單架無人機(jī)的控制，編隊(duì)控制中需要

在保證編隊(duì)內(nèi)部（領(lǐng)航機(jī)和從航機(jī)）飛行安全的同時(shí)，協(xié)調(diào)各

飛行器之間的關(guān)系，使整個(gè)編隊(duì)具有更高的控制精度和編隊(duì)形

狀控制能力。

2.控制方法

2.1運(yùn)動(dòng)模型推導(dǎo)

首先，設(shè)計(jì)四旋翼無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)模型。四旋翼無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀

態(tài)可以由飛行器的姿態(tài)角、姿態(tài)角速度和位置向量向量唯一描

述。四旋翼的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可以表示為：



其中，q是飛機(jī)的旋轉(zhuǎn)量，x是飛機(jī)的線位置向量。

然后，推導(dǎo)編隊(duì)控制下的數(shù)學(xué)模型。考慮在三維空間下，多架

無人機(jī)通過一定的控制策略，按照一定的時(shí)序組合形成編隊(duì)飛

行。根據(jù)編隊(duì)飛行的基本要求，設(shè)計(jì)編隊(duì)的控制方向和編隊(duì)距

離，并引入對(duì)應(yīng)的控制器對(duì)編隊(duì)飛行進(jìn)行控制。在編隊(duì)飛行

中，領(lǐng)航機(jī)的控制方向固定，編隊(duì)距離設(shè)置為d,從航機(jī)的控

制方向調(diào)整為組內(nèi)與領(lǐng)航機(jī)間的連線方向，并保證領(lǐng)航機(jī)與從

航機(jī)間距為d。由此，得到編隊(duì)飛行下的運(yùn)動(dòng)模型為：


其中，q是編隊(duì)下的旋轉(zhuǎn)量，x是編隊(duì)下的位置向量。

2.2PID控制器設(shè)計(jì)

在編隊(duì)中，引入領(lǐng)航和從航控制器，分別控制編隊(duì)下的領(lǐng)航和

從航四旋翼無人機(jī)的姿態(tài)與位置。這里，我們采用PID控制器

進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)姿態(tài)和位置的快速調(diào)整和控制精度。

具體實(shí)現(xiàn)如下：

領(lǐng)航機(jī)：設(shè)計(jì)角度PID控制器和位置PID控制器。角度PID控

制器輸出角度偏差，位置PID控制器輸出位置偏差。控制器輸

出對(duì)姿態(tài)角和位置分別施加調(diào)節(jié)力矩和懸停力，實(shí)現(xiàn)對(duì)領(lǐng)航機(jī)

的姿態(tài)角和位置的控制。

從航機(jī)：設(shè)計(jì)角度PID控制器和距離PID控制器。角度PID控

制器輸出角度偏差，距離PID控制器輸出距離偏差?？刂破鬏?/p>

出對(duì)姿態(tài)角和油門分別施加調(diào)節(jié)力和推力，實(shí)現(xiàn)對(duì)從航機(jī)的姿

態(tài)角和位置的同時(shí)控制，并調(diào)整飛行器速度以保證領(lǐng)航機(jī)和從

航機(jī)之間距離為do

2.3協(xié)同控制

調(diào)整控制器的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)飛行器間的協(xié)同控制。通過領(lǐng)航機(jī)和

從航機(jī)的PID控制器輸出結(jié)果的協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)編隊(duì)形狀的控制。

對(duì)于領(lǐng)航機(jī)，其輸出結(jié)果為控制指令，對(duì)同一編隊(duì)內(nèi)的從航機(jī)

發(fā)出控制信號(hào)。對(duì)于從航機(jī)，其輸出結(jié)果則是編隊(duì)形狀調(diào)節(jié)因

子，根據(jù)調(diào)節(jié)因子與編隊(duì)距離的乘積與飛行器間距離的差值來

調(diào)整從航機(jī)的速度和前進(jìn)方向，使飛行器的位置和姿態(tài)更接近

應(yīng)有值。

3.Simulink仿真與結(jié)果分析

使用Simulink對(duì)提出的編隊(duì)控制方法進(jìn)行仿真。通過對(duì)編隊(duì)

內(nèi)的各飛行器PID控制器參數(shù)的調(diào)整，對(duì)編隊(duì)飛行效果進(jìn)行分

析。從仿真結(jié)果來看，本文提出的編隊(duì)控制方法能較好地實(shí)現(xiàn)

多四旋翼無人機(jī)的編隊(duì)控制，控制精度較高，編隊(duì)形狀也能夠

得到較好控制。

4.結(jié)論

本文提出了一種基于PID控制的多四旋翼無人機(jī)固定時(shí)間編隊(duì)

控制方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)四旋翼無人機(jī)的快速調(diào)整與控制，

并實(shí)現(xiàn)了領(lǐng)航和從航飛行的控制策略，同時(shí)通過協(xié)同控制實(shí)現(xiàn)

了飛行器間的協(xié)調(diào)控制，對(duì)編隊(duì)形狀和飛行效果的控制較好。

該方法為無人機(jī)編隊(duì)控制提供了一種新的思路和方法。在未來,

該方法還可進(jìn)一步改善無人機(jī)編隊(duì)控制的效果和實(shí)現(xiàn)編隊(duì)行進(jìn)

的更復(fù)雜變化形狀控制

5.討論

本文提出的編隊(duì)控制方法基于PID控制器，雖然在仿真中取得

了良好的效果，但在實(shí)際飛行中可能面臨一些挑戰(zhàn)。首先，當(dāng)

編隊(duì)飛行器數(shù)量增加時(shí)，PID參數(shù)的確定會(huì)變得更加復(fù)雜，需

要更為精確的調(diào)整。其次，由于無人機(jī)間存在著氣動(dòng)干擾和傳

感器誤差等因素，編隊(duì)飛行器的飛行狀態(tài)可能會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)

致編隊(duì)形狀偏離期望值，進(jìn)而影響整個(gè)編隊(duì)的飛行效果。因此,

需要不斷地優(yōu)化控制算法，提高編隊(duì)飛行器的魯棒性和控制精

度，以應(yīng)對(duì)實(shí)際飛行中的挑戰(zhàn)。

6.展望

未來的研究可以進(jìn)一步探索更高級(jí)的控制算法，例如模型預(yù)測(cè)

控制(MPC)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)(RL),以提高編隊(duì)飛行器的控制精

度。此外，可以加入智能感知技術(shù)，例如機(jī)器視覺和雷達(dá)，以

實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行環(huán)境的感知和判斷，更好地應(yīng)對(duì)復(fù)雜的飛行任務(wù)。

同時(shí)，還可以考慮將編隊(duì)控制方法應(yīng)用于實(shí)際領(lǐng)域中，例如無

人機(jī)物流配送和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等，以提高生產(chǎn)效率和工作質(zhì)量

7.結(jié)論

本文提出了一種基于PID控制器的無人機(jī)編隊(duì)控制方法，并進(jìn)

行了仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)編隊(duì)飛行器間的位

置和速度控制，同時(shí)保持編隊(duì)形狀穩(wěn)定，并且具有一定的魯棒

性。然而，在實(shí)際飛行中，關(guān)鍵因素的變化會(huì)對(duì)編隊(duì)飛行產(chǎn)生

較大影響，因此需要不斷優(yōu)化控制算法，提高編隊(duì)飛行器的魯

棒性和控制精度，以適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

未來的研究可以進(jìn)一步探索更高級(jí)的控制算法和智能感知技術(shù)

的結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確和高效的無人機(jī)編隊(duì)飛行控制，為無

人機(jī)應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展提供更廣闊的空間和更多的可能性

針對(duì)無人機(jī)編隊(duì)控制方法中存在的一些問題，未來的研究可以:

1.探究隨機(jī)干擾的影響：在實(shí)際飛行中，無人機(jī)可能面臨強(qiáng)

烈的隨機(jī)干擾，如風(fēng)速、風(fēng)向的改變等，這些干擾可能導(dǎo)致控

制器不穩(wěn)定，影響編隊(duì)的飛行穩(wěn)定性。因此，需要研究如何利

用智能感知技術(shù)來識(shí)別和消除隨機(jī)干擾。

2.研究編隊(duì)飛行器間的通信：編隊(duì)飛行器之間的通信是實(shí)現(xiàn)

編隊(duì)控制的關(guān)鍵，因此需要深入研究無人機(jī)間的通信協(xié)議、通

信傳輸技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法，以實(shí)現(xiàn)更加穩(wěn)定和高效的編隊(duì)控

制。

3.發(fā)展深度學(xué)習(xí)控制算法：深度學(xué)習(xí)是當(dāng)前最熱門的技術(shù)之

一，可以通過學(xué)習(xí)大量數(shù)據(jù)來發(fā)現(xiàn)潛在的規(guī)律和特征，進(jìn)而生

成更加準(zhǔn)確、高效的控制策略。因此，未來的研究可以進(jìn)一步

探索如何利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)來優(yōu)化無人機(jī)編隊(duì)控制，以提高控

制算法的魯棒性和控制精度。

4.改進(jìn)無人機(jī)機(jī)身設(shè)計(jì)：機(jī)身設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)編隊(duì)控制的

重要因素之一，因此需要針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行機(jī)身設(shè)計(jì)優(yōu)

化，以達(dá)到更好的編隊(duì)控制效果。

綜上所述，無人機(jī)編隊(duì)控制技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，未來的

研究需要從多個(gè)方面入手，建立更加完善和高效的編隊(duì)控制體

系，以促進(jìn)無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為人們的生