第5卷第5期 智能系统学报 Vol.5 No.5 2010年10月 CAAI Transactions on Intelligent Systems 0ct.2010 doi:10.3969/i.issn.1673-4785.2010.05.003 无人机编队飞行的分布式控制策略与控制器设计 朱杰斌，秦世引 (北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京100191) 摘要：针对一种小型无人机模型及其编队飞行的实际背景和限制条件，分析了编队飞行所必须涉及的队形保持、 约束条件以及行为协调等关键性问题，进而引入分布式编队飞行控制策略并简要介绍了其优越性.根据分布式策略 的层级概念，先后讨论了单机控制器的设计与上层的编队控制器的设计.最后分别进行了单机的FDC(flight dynamic and control)仿真和双机编队仿真.仿真结果表明，设计的控制器在执行效率和控制性能等方面具有突出的优势. 关键词：无人机；分布式控制；飞行控制；编队飞行 中图分类号：TP273.1文献标识码：A文章编号：16734785(2010)05039208 Distributed control strategy and controller design for UAV formation flight ZHU Jie-bin,QIN Shi-yin School of Automation Science and Electrical Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China) Abstract:In view of the practical background and constraints of formation flight for a class of small UAV models, some key problems involved in formation flight,such as maintaining formation,environmental constraints,and be- havior coordination were analyzed in depth in order to introduce the distributed control strategy for formation flight and discuss its advantages.According to the hierarchical concepts and organizational structure of distributed con- trols,the controller design for both single UAV and multi-UAV formations were studied,respectively.Therefore, the FDC(flight dynamics and control)simulation for single UAV and general Simulink simulation for two-UAV for- mation flights were carried out separately.The simulation results show that the proposed controllers provide some outstanding advantages in executive efficiency and control performance. Keywords:unmanned aerial vehicle;distributed control;flight control;formation flight 无人机技术经过几十年的发展已经相对成熟， 为一阶惯性环节，然后在此基础上进行长机和僚机 在军事和民用领域发挥着独特的作用.而无人机编 的编队控制器设计.当面向实际的编队控制对象时， 队飞行技术作为无人机合作化发展中的一个核心概 必须首先完成对文中所提到的自驾仪的设计.文献 念，越来越得到人们的重视山.在军事侦察中，无人 [3]中利用了FDC(flight dynamic and control)工具 机编队飞行可以扩大侦察视野，提高作战命中率和 箱进行了编队控制器的设计与非线性仿真，为最终 任务成功率，具有单机飞行无法比拟的优点。 走向双机编队的试飞提供了重要的参考.在实际应 无人机要实现编队飞行，包括基于主一僚机编 用中，主一僚机编队模式由于简便性和实用性而被 队模式的队形保持和队形变化，就必须实现对各个 广泛采用.事实上，基于这种模式已经设计出了多种 微小型飞行器的空间位置和姿态进行有效的控 形式的编队控制器，并给出了仿真验证结果4] 制1们.文献[2]提出了基于飞机的飞行自驾仪的编 但是，在上述这些方法和试验中，大部分只是单 队飞行控制器设计，其中假定了飞机的自驾仪方程 独讨论编队控制器，并没有将编队控制器的设计与 编队控制的约束与控制策略，单机自主控制器设计 收稿日期：2010-0726. 过程结合起来，缺乏一定的系统性、实用性.本文从 基金项目：国防基础研究基金资助项目(D212006001);国家自然科 学基金重点资助项目(60736025)；国家自然科学基金资助 无人机编队飞行的特点入手，讨论了编队飞行的编 项目(60875072). 队方式和约束条件，并从分布式控制策略出发，研究 通信作者：朱杰斌.E-mail:bbuaa(@126.com, 了处于底层的单机控制器和处于上层的编队控制器