随着科学技术的快速发展,无人机(Unmanned Aerial Vehicle UAV)在军用和民用领域发挥着越来越重要的作用。相比单个无人机,无人机编队具有更高的效率、更好的鲁棒性、更大的服务范围以及功能,但目前无人机编队的实际应用中仍然受到着诸多的限制,随着无人机编队规模的扩大,如何提高集群编队控制精度和效率,避免飞行路径冲突、发生碰撞事故,成为无人机协同编队控制研究的重要方向。本文以四旋翼无人机作为课题研究对象,分析了目前无人机编队在编队的形成、保持以及避障等方面存在的不足点,针对如何提高无人机协同编队队形的形成与保持的控制精度和灵活性,以及如何实现快速避障作为本篇论文的重点研究方向,本文的主要研究内容及取得的成果如下:(1)首先,对无人机协同编队飞行控制中编队队形的形成、保持和避障等控制问题参考国内外重要的研究成果做了大量的调研工作。通过文献调研,分析了国内外研究者现已在无人机协同编队控制领域取得的成果以及目前还存在的一些问题。本文研究了理想环境下无人机协同编队的飞行控制问题,基于多无人机位置一致性理论,提出了一种基于区域的无人机编队队形控制算法,该算法利用每架无人机通过基于图论建立的通信拓扑图和编队区域目标函数,实现相邻无人机间进行信息交互,从而达到根据相邻无人机间的位置调整自身的飞行状态的目的,以实现无人机间相互协同的无人机区域编队飞行。基于区域的无人机编队队形控制算法具备良好的鲁棒性和扩展能力,即当编队中无人机飞离或飞进编队,该算法能够实时保持编队队形的稳定性。(2)其次,针对大规模、多任务、复杂环境下无人机协同编队飞行控制难度大问题,本文提出了基于分布式控制策略的多区域分级式无人机协同编队控制算法,算法的基本思想是:采用虚拟结构法对无人机协同编队飞行控制进行了相关研究,通过建立多区域分级式无人机编队飞行控制体系结构,将复杂的无人机编队控制问题分解为编队区域间任务分配、编队区域内任务协调,降低无人机编队中成员机之间的通信压力,实现编队中不同层次间相互协调,满足无人机协同编队飞行控制需求,无人机编队在飞行控制中的准确性和灵活性得到了显著的提高,避免了无人机在飞行过程中的路径冲突、碰撞问题。(3)最后,为了避免无人机编队在飞行中与障碍物发生碰撞,提高不确定性飞行环境中无人机编队适应能力,针对人工势场法在进行无人机编队路径规划时易陷入局部最优问题以及无关外部干扰问题,提出一种基于碰撞锥改进势场法的无人机编队避障控制算法,该算法主要解决在三维空间环境下的无人机编队保持和避障控制问题,在不改变整个无人机编队期望轨迹的条件下,通过编队中多个区域各自具有独立自主的避障功能,最终实现基于分布式控制策略的多区域分级式无人机编队飞行下的自主避障控制。