● 摘要
随着无人机在军事和民用领域的广泛应用，有关无人机的理论与技术研究有着重要的实际意义。多无人机编队相较于单无人机，有着任务执行效率高、环境适应性与鲁棒性强、气动耦合收益带来的燃油节约等特点，在任务目标复杂、环境具有不确定性以及其他多样化的应用场合中有着单无人机难以比拟的优势。在多无人机编队控制中，具有自主性的分布式控制可以较好地应对实际任务中存在的通信和计算资源有限、对中心控制单元依赖性较高的问题，已经成为多无人机编队控制领域的一个理论研究热点。鸟群的群集运动是自然界中一种常见的群集现象，通过邻近个体间的交互作用在集体层面上呈现有序的运动行为。鸟群群集运动天然具有局部交互、分布式和自主性等特点，并且通过以上行为自发实现群体规模的自组织性和适应性。这与无人机编队自主、分布式控制要求向契合。
目前人们对于鸟群行为机制的研究已经做了大量工作，本论文从其中最为经典的Vicsek模型出发，分析其模型特性，并在其基础上结合鸟群机制加以改进，然后考虑无人机应用中的约束和实际问题，将上述描述鸟群运动的群集运动模型应用于多无人机自主协同编队，自主形成机群，并完成目标跟踪和避障等任务。最后以多机编队协同搜索为任务想定，进一步验证该无人机自主协同控制方法的有效性。
首先，本论文介绍了描述鸟群群集运动的典型模型——标准Vicsek模型以及相应的群集运动特性评价标准。通过仿真实验分析了标准Vicsek模型中各参数对于模型特性的影响，并结合仿真结果指出标准Vicsek模型并未完全体现鸟群群集运动的三种基本行为方式，存在进一步改进的空间。
其次，提出了基于人工物理力的不完全视角Vicsek模型。根据上述分析，本论文采用人工物理方法，通过构建粒子间人工物理力的作用，为标准Vicsek模型引入了避撞和聚集机制。在此基础上，基于鸟类不具有360°完整视野这一假设，将标准Vicsek模型的全视角改为不完全视角，并通过仿真得到了引入人工物理力的不完全视角Vicsek模型的最优视角范围，使得群体可以更快地收敛。
然后，本论文阐述了鸟群群集运动与多无人机自主协同的相通之处，分析了多无人机自主协同需要考虑的影响因素和约束条件，并以此为依据，在基于人工物理力的不完全视角Vicsek模型的基础上进行扩展，提出了基于改进Vicsek模型的多无人机自主集群控制方法。此外，根据无人机的任务需求，采用局部质心机制，得到多机编队的目标跟踪策略；通过构造障碍区域与无人机间的人工物理力实现无人机的自主避障。通过仿真验证了上述控制方法的有效性。
最后，为进一步验证基于改进Vicsek模型的多无人机自主集群控制方法，以多无人机编队协同搜索作为任务想定，基于概率搜索图对问题进行建模，采用滚动时域优化的预测控制方法，在线对机群搜索航路点进行动态的规划，并令无人机自主形成机群编队，跟踪搜索决策层给出的航路点指令，实现多无人机编队与协同搜索。