针对存在通信时延时含单一领导者的多无人机系统的编队控制问题, 基于一致性控制理论设计了控制器, 使得系统在一定的通信时延条件下依旧能够使各系统状态趋于一致, 形成期望的编队。首先, 建立系统中各无人机的动力学模型, 做出一些基本假设, 并根据一致性理论设计参数待定的控制器; 其次, 通过变量代换和数学变形, 得到一个新系统, 将原系统的编队控制问题转化为低阶系统的渐近稳定问题; 最后, 设计Lyapunov-Krasovskii函数, 结合线性矩阵不等式推导出了系统达到一致性的充分条件。仿真结果表明, 在满足给出的条件时, 系统能够在时滞条件下形成期望的时变编队。

针对分布式群系统编队控制问题, 提出一种有向拓扑条件下的分布式编队控制方法。首先, 通过在控制协议中引入辅助函数, 利用变量代换, 将编队控制问题简化为自治系统的稳定性问题, 使得复杂的控制问题简单化。其次, 通过求解线性矩阵不等式设计控制增益矩阵, 形式简单, 求解复杂度低。然后借助李雅普诺夫方法分析系统的稳定性。仿真实验表明, 多无人机系统在分布式控制协议下, 能够有效实现编队跟踪控制。

针对无人机系统进入融合空域执行不同任务时的安全问题, 提出了一种基于Monte-Carlo的风险评估方法。首先对融合空域影响无人机系统发生地面撞击事件的因素进行分析, 再用参数分布描述各影响因素的不确定性, 最后选取Firebird与Typhoon H两款典型无人机, 分别在低风险区域、一般风险区域和高风险区域内利用Monte-Carlo仿真算法进行安全评估, 并对各影响因素进行敏感性分析。仿真表明：不同型号的无人机系统在不同运行环境下安全目标水平的差异较大, 无人机坠落下滑角度是影响系统允许失效率的关键因素, 为无人机系统进入融合空域内的运行风险评价以及提升无人机安全水平提供了一种可行思路。

针对联合连通拓扑条件下具有多个领导者的多无人机系统编队包含控制问题, 分别为领导者和跟随者设计分布式一致性控制器, 依据领导者和跟随者对Laplacian矩阵进行分块, 对具有有向生成树的Laplacian矩阵进行特殊分解, 将领导者的编队控制问题简化为低阶时变系统的渐近稳定性问题。定义跟随者实现包含控制误差量, 将跟随者的包含控制问题简化为时变系统的渐近稳定性问题。利用平均化方法, 将两个时变系统的渐近稳定性问题转化为两个时间平均系统的渐近稳定性问题, 借助线性矩阵不等式和Lyapunov函数给出了控制器的设计步骤, 使得多无人机系统的通信拓扑切换足够快, 多无人机系统就能在联合连通拓扑条件下实现编队包含控制。通过仿真验证, 结果表明所设计控制器的有效性。

针对二阶多无人机系统时变编队控制问题, 借助事件触发函数, 设计了一致性分布式控制器, 使其形成时变编队。结合Laplacian矩阵的特殊性质, 对其分解, 将编队问题化简为低阶系统渐近稳定性问题。给出控制器设计算法, 利用线性矩阵不等式(LMI)和Lyapunov函数证明了在给定事件触发函数下算法的有效性, 并证明了所给事件触发函数时间序列不存在Zeno现象。对多无人机系统的运动在三维空间进行仿真, 结果表明无人机在所设计的控制器作用下形成期望的时变编队, 有效地节约了通信带宽和计算资源。

对于包含人为因素飞行员模型的人机系统, 传统针对确定模型的控制器方法无法完全满足飞行轨迹精度。针对飞行员模型在环系统, 提出了采用衰减记忆方法、线性代价递增切换算法的去伪PI控制器设计方法。去伪控制理论是一种仅利用模型输入输出数据的无模型数据驱动控制理论。在去伪控制理论中, 监视器用于选择最优控制器, 控制器切换算法负责在需要时进行控制器切换。衰减记忆法的引入可减弱历史数据对切换判断的影响。对特定飞行场景进行了蒙特卡罗仿真, 仿真结果表明,设计的控制器可减小飞行任务中的高度轨迹偏差, 提高飞行品质。

主要围绕无人机到无人机系统及其相应配套光电载荷的发展进行探讨, 在无人机系统方面, 通过多个可能的未来无人机系统的协同工作模式强调了无人机系统顶层设计的重要性, 建议尽早规范国内的军用无人机市场, 制订相关的无人机规范; 在光电载荷方面, 介绍了其中主流传感器形式随无人机系统发展的相应变化, 总结了 UAS所要求的高性能、多用途、多光谱/超光谱、通用及开放架构、智能化、小型化等发展趋势, 并简单介绍了各自采用的技术手段。

基于一致性理论的多无人机分布式协同控制已广泛运用于无人机作战中, 通过一致性控制算法实现状态一致完成协同需求。建立了集结问题的数学模型, 基于协调变量和协调函数的分解策略进行求解。为实现协同控制的最优性, 改进了平均一致性控制算法, 采用Hamilton-Jacobi-Bellman方程给出基本优化一致性控制算法。在控制算法中引入过去状态差值, 提高控制算法的动态响应性和能量最优性; 同时采用遗传算法优化代价函数的加权矩阵, 进一步提高控制算法的动态响应性和能量最优性, 缩短了任务执行时间。理论分析和仿真实验验证了方法的有效性和可行性。

多无人机系统中,系统状态的一致性是实现多无人机分布式协同控制的基础, 一致性控制算法是多无人机系统实现状态一致的有效方法。通信约束条件下, 无人机平台基于局部交互信息, 通过一致性控制算法, 控制系统状态演化一致。为解决改变通信拓扑结构和多跳路由通信的不可操作性问题, 引入状态差值和预测状态,设计新的快速一致性控制算法。给出新算法收敛性和快速性的相关定理,并进行了严格的数学证明, 在分布式协同控制结构下实现多无人机快速任务协同。理论分析和仿真实验验证了算法的可行性和有效性。

我国油气管道线路漫长，常常需要穿越沼泽、沙漠、山岭和森林等 复杂区域或人口密集区域，因此存在巨大的安全隐患。为提高管道巡检水平，迫切需要引入 高新监测技术及手段。由于具有对地观测成像分辨率高、设备机动性 好、转场作业灵活以及便于紧急出动作业等优点，无人机遥感监测系统在油气管道巡检领域具有极大的应用 价值。分析了将无人机遥感监测用于油气管道巡检的可行性，介绍了无人机油 气管道遥感监测系统的监测内容、系统组成、数据处理成果和作业模式，并结合 西南和西北地区的成功案例介绍了相关的实际使用情况。