无人机编队是指多架无人机形成特定的队形,并协同完成特定的任务。编队技术在军事及民用领域都具有广泛的应用,比如侦察、打击、勘测、组网、空中加油等。经过几十年的发展,无人机编队技术主要有领航者法、虚拟结构法、基于行为法、人工势场法、图论法等。本文基于拟态物理法研究无人机的稳健编队控制及其重构问题。论文主要工作及贡献如下:(1)改造了拟态物理法规则,并将其应用在无人机编队控制。拟态物理法由William M.Spears在1999年提出,本质是一种模拟物理定律的直接力控制。William M.Spears创建力规则,并将力作用在全向移动的智能体上,依靠力平衡,形成“势阱”,最终每个智能体都会处在一个势阱中,形成一种正则的队形。改变力的规则就可以改变构型。论文改造了传统拟态物理法的力规则,可以将无人机群体吸引到一个圆周上,并均匀分布。本文称这种队形为标准构型。(2)提出了一种可以将标准构型变为其它指定构型的双射变换方法。拟态物理法的控制量实质是具有大小和方向的力,可以进行尺度、旋转和平移变换。改变控制量的大小和方向,无人机群就会打破原先的力平衡,达到新的力平衡,形成新的“势阱”,从而形成新的构型。论文研究了任意两种构型之间是否存在变换以及如何变换的问题,提出了从标准构型到其它指定构型的双射变换方法。(3)利用反步法将拟态物理法得到的控制量映射到无人机控制系统中。拟态物理法得到的编队控制量是各无人机的期望航向角和速度,为无人机上层的导航量,在实际应用中还需要解算到无人机实际的控制量中。无人机系统是复杂的非线性模型,论文利用反步法的思想,为无人机非线性动力学模型设计了单机跟踪控制律,将无人机的编队控制量,即期望的航向角和速度,解算到使用负载系数为实际控制量的无人机系统中。(4)搭建了基于X-plane飞行模拟软件的高保真编队飞行半实物仿真平台,并对论文提出的算法进行了仿真验证。X-plane是一款飞行模拟仿真软件,可以高保真地模拟无人机的飞行。无人机编队半实物仿真环境以千兆以太网交换机为中心,连接多套实验室开发的ARM网络自驾仪,多套X-plane飞行模拟软件和多机协同地面站。构建的仿真环境中,X-plane将各无人机的状态量通过网络协议发送给无人机自驾仪;自驾仪集成编队控制算法,产生无人机控制量,并通过网络协议发回X-plane软件,驱动无人机按照控制量飞行。调试完成后,网络化自驾仪可直接搭载在真实无人机编队系统中实现多机编队飞行。