论文总字数：37800字

摘 要

无人机技术近年来获得了来自军事部门、研究院以及各大高校的广泛关注。由于无需飞行员，在应用时可以完成一些高危任务并实现人员零伤亡，因此在军事及高危工作等行业备受欢迎。本文论述了一种三维空间中五个二阶智能体的局部编队跟踪控制方法，其中每个智能体的轨迹收敛于给定的球体，跟踪目标是速度方向已知、速度大小未知的运动。本文引用了一种基于相对位置局部测量的分布式解决方案。为了描述球形编队的跟踪运动发展的情况，引入了相对位置的一般期望距离函数来描述球体的跟踪误差和每个智能体的控制输入投影到球体的法向矢量方向上以实现跟踪。同时，每个智能体的控制输入投射到经纬线的方向上，用于完成沿经纬线方向上的控制形成。在控制规律的设计上，与后推控制不同，本文引用了动态面控制（dynamic surface control），即引入一阶滤波器，用代数运算代替微分运算，简化了设计过程。并通过MATLAB仿真得到球体编队跟踪运动，数值仿真验证了所提出控制律的有效性。通过对运动过程中状态变量的绘图与分析，观察仿真结果并分析得与预期的李雅普诺夫稳定相符合。

关键词：动态面控制 李雅普诺夫稳定 非线性系统

Abstract

In recent years, UAV technology has received extensive attention from military departments, research institutes and universities. Because no pilots are needed, some high-risk tasks can be accomplished and zero casualties can be achieved in the application, so it is very popular in military and high-risk industries. This paper presents a local formation tracking control method for five second-order agents in three-dimensional space, in which the trajectory of each agent converges to a given sphere and the tracking target is a motion with known velocity direction and unknown velocity. A distributed solution based on local measurement of relative position is introduced in this paper. In order to describe the development of tracking motion of spherical formation, the general expected distance function of relative position is introduced to describe the tracking error of sphere and the control input of each agent is projected to the normal vector direction of sphere to achieve tracking. At the same time, the control input of each agent is projected to the direction of longitude and latitude, which is used to complete the control formation along the direction of longitude and latitude. In the design of control law, unlike backstepping control, dynamic surface control is introduced, that is, first-order filter is introduced, and algebraic operation is used instead of differential operation to simplify the design process. The tracking motion of spherical formation is simulated by MATLAB, and the effectiveness of the proposed control law is verified by numerical simulation. By drawing and analyzing the state variables in the motion process, the simulation results are observed and analyzed, which are consistent with the expected Lyapunov stability.

KEY WORDS: Dynamic Surface Control ，Lyapunov stability ，Nonlinear Systems

目 录

摘 要 III

Abstract IV

第一章 绪论 1

1.1 当前研‌究局‌势与重‌ 要性 1

1.2 空间无人机的国内研究现状 2

1.3 无人机的控制方法的研究现状 2

1.3.1 单体模型 2

1.3.2 稳定性 3

1.3.3 联‌系拓扑与图‌论 3

1.3.4 基本控制方法 4

1.4 本文工作 7

1.5 符号说明 8

第二章 基于未知目标一阶系统的控制设计 10

2.1未知目标一阶系统 10

2.2数学建模 11

2.3多无人机协作包围分析与李雅普诺夫稳定性判定 13

2.4章内小结 15

第三章 基于未知目标二阶系统动态面控制 16

3.1动态面控制概述 16

3.2二阶系统动态面控制推导 16

3.2.1二阶系统建模分析 16

3.2.2动态面控制设计 17

3.2.3李雅普诺夫函数构造 19

3.3稳定性分析 21

3.4章内小结 22

第四章 MATLAB仿真与结果分析 24

4.1代码流程与参数设定 24

4.1.1代码流程 24

4.1.2参数设定 25

4.2仿真结果与分析 25

4.2.1无向通信拓扑仿真 25

4.2.2有向通信拓扑仿真 32

第五章 总结与展望 37

5.1总结 37

5.2展望 38

参考文献 39

致 谢 40

第一章 绪论

当前研‌究局‌势与重‌ 要性

科‌技进步，尤其是在近几年更是得到了较快的发展与广泛的关注。无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）技术也是获得了多方的注重，其中主要包括军事部门、研究院以及各大高校。由于无需飞行员，无人机在应用时可以大大减小飞机体积，降低成本，同时完成一些高危任务并实现人员零伤亡，因此在军事及高危工作等行业备受欢迎^[1][3]。

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