论文以无人机集群在复杂任务环境中的飞行安全为出发点,对小型固定翼无人机集群系统的规避控制问题展开研究。首先建立了复杂环境下固定翼无人机集群规避控制问题的基本模型,将集群规避控制问题划分为针对外部障碍的集群避障控制和针对集群内无人机间的防撞控制。接着,基于无人机的局部分层冲突空域模型,系统性地设计了“外层规划——中层控制——内层反应”的三层集群规避控制体系架构。特别地,针对中层冲突空域的高动态性和不确定性,论文基于非线性模型预测控制的思想,着重研究了中层冲突空域中非合作式集群避障控制策略和合作式集群机间防撞控制策略。论文的主要工作包括:(1)系统性地设计了固定翼无人机集群系统的三层规避控制体系架构。在综合考虑集群飞行任务、规避控制性能指标以及控制约束条件的基础上,建立了无人机集群规避问题的基本模型;而后根据碰撞威胁的不同层级以及发生条件,分别设计了外层重规划、中层预测控制和内层反应式机动的规避控制策略,给出了无人机集群碰撞规避问题的系统性解决方案。(2)设计并实现了基于非线性模型预测控制的集群非合作式避障控制律。在对集群避障控制问题分析建模的基础上,首先针对无障碍场景设计了基于模型预测控制的曲线路径跟踪控制器,并给出了迭代可行性和稳定性证明。在此基础上,针对多静态障碍场景和多动态障碍场景设计了基于模型预测控制的集群非合作式避障控制律,并推导了满足动态障碍规避约束的最小预测步长。仿真验证表明:设计的路径跟踪控制律与三种传统路径跟踪控制算法相比有更好的跟踪精度;设计的避障控制律在多静态障碍场景、多动态障碍场景中具有可用性和较好的抗风性。(3)设计并实现了基于分布式模型预测控制的集群分布合作式机间防撞控制律。在对集群机间防撞控制问题分析建模的基础上,考虑两类典型的集群系统通信拓扑:固定局部通信和时变局部通信,设计了基于分布式模型预测控制的无人机集群分布合作式防撞控制律,并推导了满足机间防撞约束的最小通信距离。典型场景的数值仿真对比验证了固定通信拓扑和时变通信拓扑下的集群防撞控制器的性能,并进一步分析了在时变通信拓扑下,通信距离和通信时延对集群系统防撞控制律的性能影响。