潘華+毛海濤

摘 要： 隨著無人機(jī)任務(wù)的復(fù)雜性增加，無人機(jī)編隊(duì)飛行成為無人機(jī)發(fā)展的新方向。為了研究無人機(jī)由于編隊(duì)帶來的新問題，分析在單架無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)所遇到的問題及無人機(jī)編隊(duì)飛行的必要性，并在分析無人機(jī)編隊(duì)飛行的特點(diǎn)基礎(chǔ)上，闡述編隊(duì)飛行過程中所需解決的問題。通過查閱近幾年國內(nèi)外對(duì)于無人機(jī)編隊(duì)的問題研究，總結(jié)整理出無人機(jī)編隊(duì)主要面臨的隊(duì)形保持中控制器設(shè)計(jì)、防撞避障及航跡規(guī)劃中路徑優(yōu)化等問題。針對(duì)各個(gè)問題，對(duì)編隊(duì)飛行過程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討和分析。

關(guān)鍵詞： 無人機(jī)； 編隊(duì)飛行； 控制器設(shè)計(jì)； 關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）16?0077?03

Study on problems facing with UAV formation flight and its key technology

PAN Hua， MAO Hai?tao

（Unit 92728 of PLA， Shanghai， 200436， China）

Abstract：With the increase of the mission complexity of UAV， UAV formation flight has become the new trend of UAV development. To study the new problems brought about by UAV formation flight， the problems encountered in mission of single UAV and the necessity of UAV formation flight are analyzed. The problems needing to solve in process of formation flight are expounded based on the analysis of UAV formation flight features. By consulting the research achievements of UAV formation flight at home and aboard in recent years， the main problems， such as controller design for formation keeping， collision avoidance and path optimization in route planning that UAV formation flight encounters are summarized. The key technology in process of UAV formation flight is discussed and analyzed.

Keywords： UAV； formation flight； controller design； key technology

0 引 言

近些年來，無人機(jī)由于本身具有尺寸小、重量輕、適應(yīng)性強(qiáng)、隱蔽性高及危險(xiǎn)性系數(shù)低等點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于軍事和民事領(lǐng)域。在軍事領(lǐng)域，無人機(jī)作為靶機(jī)、偵察機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)等，可以執(zhí)行偵查監(jiān)視、騙敵誘餌、實(shí)施干擾、對(duì)地攻擊、校射及通信中繼等。在民事領(lǐng)域，無人機(jī)可以用于監(jiān)測環(huán)境、監(jiān)測氣象、勘探資源、森林防火及人工降雨等。

隨著科技的發(fā)展，無人機(jī)完成任務(wù)的復(fù)雜度日益增加，而單架無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)的缺陷也日益突出。主要有：

（1） 偵查范圍有限，不能執(zhí)行大面積偵查行動(dòng)；

（2） 出現(xiàn)故障時(shí)必須中斷維修，在戰(zhàn)爭中很可能失去有利機(jī)會(huì)；

（3） 作為戰(zhàn)斗機(jī)時(shí)，破壞能力有限，執(zhí)行任務(wù)的成功率受到影響。

而對(duì)無人機(jī)進(jìn)行編隊(duì)飛行，能夠很好地解決以上的問題。

1 無人機(jī)編隊(duì)飛行及其特點(diǎn)

無人機(jī)編隊(duì)飛行，即多架無人機(jī)為適應(yīng)任務(wù)要求而進(jìn)行的某種隊(duì)形排列和任務(wù)分配的組織模式[1]，即無人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，為了滿足任務(wù)需要，將多架無人機(jī)按照一定的方式排列，并在執(zhí)行任務(wù)過程中保持隊(duì)形不變。

無人機(jī)編隊(duì)飛行可以很好地解決單架無人機(jī)面臨的困難，主要有[2]：

（1） 在實(shí)行偵查任務(wù)時(shí)，可以對(duì)偵查區(qū)域進(jìn)行劃分，并分配給編隊(duì)中不同的無人機(jī)，從而避免目標(biāo)的遺漏并提高執(zhí)行任務(wù)效率。

（2） 在執(zhí)行對(duì)地觀測任務(wù)時(shí)，可以調(diào)整編隊(duì)中的多個(gè)無人機(jī)上相機(jī)角度，實(shí)現(xiàn)全面立體照相。

（3） 相對(duì)于單架無人機(jī)而言，整體編隊(duì)的執(zhí)行任務(wù)得到效率提高。比如在執(zhí)行某項(xiàng)復(fù)雜任務(wù)時(shí)，可以在原有需求基礎(chǔ)上增加備用無人機(jī)；在部分無人機(jī)出現(xiàn)故障的情況下，也能按照要求實(shí)時(shí)高效地完成任務(wù)。

（4） 無人機(jī)作為戰(zhàn)斗機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)，其摧毀敵方能力增強(qiáng)，可以采用多架無人機(jī)對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行攻擊，提高命中率和殺傷力等。多架無人機(jī)對(duì)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行攻擊，提高執(zhí)行能力。

2 無人機(jī)編隊(duì)飛行面臨的問題

無人機(jī)在編隊(duì)飛行執(zhí)行任務(wù)時(shí)，不僅需要解決單無人機(jī)飛行過程中必須的通信、數(shù)據(jù)融合、飛行控制等技術(shù)，還需要解決隊(duì)形保持、防撞避障、航跡規(guī)劃等問題[3]。

2.1 隊(duì)形保持問題

隊(duì)形保持即在無人機(jī)編隊(duì)飛行過程中，各個(gè)無人機(jī)之間需要保持相對(duì)的幾何位置不變。根據(jù)隊(duì)形保持的嚴(yán)格程度，可以分為群集編隊(duì)和嚴(yán)格編隊(duì)。群集編隊(duì)是指無人機(jī)編隊(duì)飛行時(shí)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并不嚴(yán)格要求遵循一種結(jié)構(gòu)，而是整體按照某一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行移動(dòng)，保證編隊(duì)正常飛行，此種編隊(duì)比較適用于對(duì)編隊(duì)飛行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒有嚴(yán)格要求的任務(wù)。而嚴(yán)格編隊(duì)則是指無人機(jī)在編隊(duì)飛行過程中各個(gè)無人機(jī)之間必須保持嚴(yán)格的幾何結(jié)構(gòu)，適用于對(duì)相對(duì)位置要求較高的任務(wù)，比如需要完成精確定位的任務(wù)。

要完成編隊(duì)隊(duì)形保持，需要為無人機(jī)設(shè)計(jì)隊(duì)形保持控制器。而通過對(duì)無人機(jī)的模型進(jìn)行分析，編隊(duì)中相鄰無人機(jī)之間的數(shù)學(xué)模型存在耦合，如果采用傳統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)方法，在設(shè)計(jì)過程中運(yùn)算量太大，而且隨著無人機(jī)數(shù)量的增多，運(yùn)算量增大迅速，無人機(jī)編隊(duì)的整體規(guī)模受到限制。因此需要設(shè)計(jì)合理控制器解決以上問題。

在執(zhí)行某些任務(wù)時(shí)，不僅要求無人機(jī)編隊(duì)能夠保持隊(duì)形不變，可能還需要在飛行過程中根據(jù)任務(wù)要求實(shí)時(shí)改變編隊(duì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，此時(shí)所設(shè)計(jì)的控制器不僅需要能夠保證隊(duì)形不變，還必須能夠?qū)崿F(xiàn)隊(duì)形變換。

在編隊(duì)飛行過程中渦旋也是影響隊(duì)形保持的重要因素。隊(duì)形中長機(jī)的尾部和翼尖產(chǎn)生氣流對(duì)后面僚機(jī)的飛行造成影響，導(dǎo)致僚機(jī)不能按照已定的方向飛行，使得隊(duì)形出現(xiàn)偏差，因此需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制律來解決渦旋造成的影響[4]。

2.2 防撞避障問題

防撞是指在編隊(duì)中各個(gè)無人機(jī)之間避免相互碰撞；避障則是指在無人機(jī)編隊(duì)飛行時(shí)遇到障礙能夠避開的能力。防撞避障中最根本需要解決的是探測問題。在防撞過程中，編隊(duì)中的無人機(jī)需要能夠獲得其他無人機(jī)的位置信息或者將自己的位置信息發(fā)送給其他無人機(jī)；而在避障過程中無人機(jī)需要能夠躲避各種可能的障礙物，障礙物有可能是預(yù)知的，也有可能是未知的。對(duì)于預(yù)知的障礙，可以在進(jìn)行航跡規(guī)劃時(shí)避開；而對(duì)于未知障礙，無人機(jī)需要具備實(shí)時(shí)處理障礙的能力。對(duì)于未知障礙的規(guī)避，必然導(dǎo)致無人機(jī)編隊(duì)偏離預(yù)定航跡，如何在盡量減少原路徑偏離量的情況下規(guī)避障礙是防撞避障所面臨的一個(gè)優(yōu)化問題。

2.3 航跡規(guī)劃問題

在無人機(jī)編隊(duì)飛行時(shí)，不僅需要對(duì)其進(jìn)行離線航跡規(guī)劃，避開已知障礙，還需要在飛行過程中實(shí)時(shí)更新航跡，保證無人機(jī)能夠避開新出現(xiàn)的障礙。而對(duì)航跡的進(jìn)一步優(yōu)化是航跡規(guī)劃問題的一個(gè)突破點(diǎn)。

3 無人機(jī)編隊(duì)飛行關(guān)鍵技術(shù)

3.1 編隊(duì)控制

為了解決編隊(duì)飛行時(shí)隊(duì)形保持面臨的問題，需要進(jìn)行編隊(duì)控制。為了解決編隊(duì)中相鄰無人機(jī)之間的耦合，可以對(duì)傳統(tǒng)控制器進(jìn)行改進(jìn)。即對(duì)無人機(jī)編隊(duì)進(jìn)行重新建模分成解耦部分和關(guān)聯(lián)部分，對(duì)解耦部分直接采用傳統(tǒng)控制器；而對(duì)關(guān)聯(lián)部分則采用改進(jìn)的分布式控制器，通過結(jié)合兩個(gè)控制器來實(shí)現(xiàn)對(duì)編隊(duì)的控制，實(shí)現(xiàn)有效編隊(duì)保持[5]。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)編隊(duì)變換，可將需要的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的幾何關(guān)系轉(zhuǎn)換成無人機(jī)編隊(duì)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程，再結(jié)合無人機(jī)本身的模型建立關(guān)于無人機(jī)編隊(duì)的線性化方程，最后設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制律實(shí)現(xiàn)編隊(duì)變換[6]。

對(duì)于長機(jī)產(chǎn)生的渦旋，需要考慮無人機(jī)各方向受到的力及力矩，包括橫測向以及縱向受到的上洗速度和側(cè)洗速度等[7]。利用渦旋調(diào)整技術(shù)，通過對(duì)長機(jī)機(jī)翼進(jìn)行調(diào)整，使得長機(jī)翼尖上的渦旋對(duì)僚機(jī)產(chǎn)生有利作用，從而保證編隊(duì)隊(duì)形不變。

3.2 防撞避障

無人機(jī)編隊(duì)飛行過程中，需要進(jìn)行防撞避障。由于在無人機(jī)進(jìn)行編隊(duì)控制時(shí)，各個(gè)無人機(jī)之間的距離是確定的，在控制律穩(wěn)健的情況下，無人機(jī)之間不會(huì)發(fā)生碰撞，即防撞問題解決。而避障，也已經(jīng)有很多較為成熟的方法，主要有：

（1） 通過航跡規(guī)劃的方法獲得編隊(duì)多條備選路徑，然后根據(jù)實(shí)際需要建立代價(jià)函數(shù)，并以障礙位置作為約束條件，最終獲得可以避障的路徑；

（2） 構(gòu)造一個(gè)勢場函數(shù)，當(dāng)無人機(jī)越靠近障礙物時(shí)，勢場函數(shù)越大；反之，勢場函數(shù)越小。因此通過最小化勢場函數(shù)來規(guī)避障礙物，獲得最佳路徑。另外還有利用回轉(zhuǎn)力的方法、改進(jìn)模型預(yù)測控制等方法實(shí)現(xiàn)防撞避障[8?10]。

3.3 航跡規(guī)劃

無人機(jī)編隊(duì)的路徑規(guī)劃中在把編隊(duì)作為一個(gè)整體的條件下，可以看作單無人機(jī)航跡規(guī)劃進(jìn)行處理。而單無人機(jī)航跡規(guī)劃主要分為兩大方向：最優(yōu)式算法和啟發(fā)式算法。其中啟發(fā)式算法由于其計(jì)算方便而被廣泛應(yīng)用，主要方法有：

（1） A*算法。將無人機(jī)所要到達(dá)目標(biāo)視為一個(gè)點(diǎn)，通過設(shè)置一個(gè)估計(jì)函數(shù)來搜索區(qū)域中從當(dāng)前位置到目標(biāo)位置的權(quán)值，從而決定下一步搜索方向，最終得到無人機(jī)的路徑。

（2） 遺傳算法。在搜索之前對(duì)無人機(jī)的當(dāng)前位置及其航跡進(jìn)行編碼，隨機(jī)產(chǎn)生N個(gè)初始結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，代表所有可能的航跡；選取合適的適應(yīng)度函數(shù)，通過選擇、交叉、變異得到下一代群體，通過不斷進(jìn)化，最終得到最大適應(yīng)度值的個(gè)體即為最優(yōu)路徑。

另外還有粒子群優(yōu)化算法、蟻群算法及Voronoi圖算法等。

4 結(jié) 語

由于無人機(jī)編隊(duì)有著單無人機(jī)無法比擬的優(yōu)勢，使其必然成為未來無人機(jī)發(fā)展的新方向，能夠在更多的領(lǐng)域中使用。而要完成更多難度更大的任務(wù)，無人機(jī)編隊(duì)飛行必須提高整體能力。但目前無人機(jī)編隊(duì)還存在許多問題，要將其理論應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中去，還需要做進(jìn)一步的研究和實(shí)踐。

參考文獻(xiàn)

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要完成編隊(duì)隊(duì)形保持，需要為無人機(jī)設(shè)計(jì)隊(duì)形保持控制器。而通過對(duì)無人機(jī)的模型進(jìn)行分析，編隊(duì)中相鄰無人機(jī)之間的數(shù)學(xué)模型存在耦合，如果采用傳統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)方法，在設(shè)計(jì)過程中運(yùn)算量太大，而且隨著無人機(jī)數(shù)量的增多，運(yùn)算量增大迅速，無人機(jī)編隊(duì)的整體規(guī)模受到限制。因此需要設(shè)計(jì)合理控制器解決以上問題。

在執(zhí)行某些任務(wù)時(shí)，不僅要求無人機(jī)編隊(duì)能夠保持隊(duì)形不變，可能還需要在飛行過程中根據(jù)任務(wù)要求實(shí)時(shí)改變編隊(duì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，此時(shí)所設(shè)計(jì)的控制器不僅需要能夠保證隊(duì)形不變，還必須能夠?qū)崿F(xiàn)隊(duì)形變換。

在編隊(duì)飛行過程中渦旋也是影響隊(duì)形保持的重要因素。隊(duì)形中長機(jī)的尾部和翼尖產(chǎn)生氣流對(duì)后面僚機(jī)的飛行造成影響，導(dǎo)致僚機(jī)不能按照已定的方向飛行，使得隊(duì)形出現(xiàn)偏差，因此需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制律來解決渦旋造成的影響[4]。

2.2 防撞避障問題

防撞是指在編隊(duì)中各個(gè)無人機(jī)之間避免相互碰撞；避障則是指在無人機(jī)編隊(duì)飛行時(shí)遇到障礙能夠避開的能力。防撞避障中最根本需要解決的是探測問題。在防撞過程中，編隊(duì)中的無人機(jī)需要能夠獲得其他無人機(jī)的位置信息或者將自己的位置信息發(fā)送給其他無人機(jī)；而在避障過程中無人機(jī)需要能夠躲避各種可能的障礙物，障礙物有可能是預(yù)知的，也有可能是未知的。對(duì)于預(yù)知的障礙，可以在進(jìn)行航跡規(guī)劃時(shí)避開；而對(duì)于未知障礙，無人機(jī)需要具備實(shí)時(shí)處理障礙的能力。對(duì)于未知障礙的規(guī)避，必然導(dǎo)致無人機(jī)編隊(duì)偏離預(yù)定航跡，如何在盡量減少原路徑偏離量的情況下規(guī)避障礙是防撞避障所面臨的一個(gè)優(yōu)化問題。

2.3 航跡規(guī)劃問題

在無人機(jī)編隊(duì)飛行時(shí)，不僅需要對(duì)其進(jìn)行離線航跡規(guī)劃，避開已知障礙，還需要在飛行過程中實(shí)時(shí)更新航跡，保證無人機(jī)能夠避開新出現(xiàn)的障礙。而對(duì)航跡的進(jìn)一步優(yōu)化是航跡規(guī)劃問題的一個(gè)突破點(diǎn)。

3 無人機(jī)編隊(duì)飛行關(guān)鍵技術(shù)

3.1 編隊(duì)控制

為了解決編隊(duì)飛行時(shí)隊(duì)形保持面臨的問題，需要進(jìn)行編隊(duì)控制。為了解決編隊(duì)中相鄰無人機(jī)之間的耦合，可以對(duì)傳統(tǒng)控制器進(jìn)行改進(jìn)。即對(duì)無人機(jī)編隊(duì)進(jìn)行重新建模分成解耦部分和關(guān)聯(lián)部分，對(duì)解耦部分直接采用傳統(tǒng)控制器；而對(duì)關(guān)聯(lián)部分則采用改進(jìn)的分布式控制器，通過結(jié)合兩個(gè)控制器來實(shí)現(xiàn)對(duì)編隊(duì)的控制，實(shí)現(xiàn)有效編隊(duì)保持[5]。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)編隊(duì)變換，可將需要的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的幾何關(guān)系轉(zhuǎn)換成無人機(jī)編隊(duì)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程，再結(jié)合無人機(jī)本身的模型建立關(guān)于無人機(jī)編隊(duì)的線性化方程，最后設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制律實(shí)現(xiàn)編隊(duì)變換[6]。

對(duì)于長機(jī)產(chǎn)生的渦旋，需要考慮無人機(jī)各方向受到的力及力矩，包括橫測向以及縱向受到的上洗速度和側(cè)洗速度等[7]。利用渦旋調(diào)整技術(shù)，通過對(duì)長機(jī)機(jī)翼進(jìn)行調(diào)整，使得長機(jī)翼尖上的渦旋對(duì)僚機(jī)產(chǎn)生有利作用，從而保證編隊(duì)隊(duì)形不變。

3.2 防撞避障

無人機(jī)編隊(duì)飛行過程中，需要進(jìn)行防撞避障。由于在無人機(jī)進(jìn)行編隊(duì)控制時(shí)，各個(gè)無人機(jī)之間的距離是確定的，在控制律穩(wěn)健的情況下，無人機(jī)之間不會(huì)發(fā)生碰撞，即防撞問題解決。而避障，也已經(jīng)有很多較為成熟的方法，主要有：

（1） 通過航跡規(guī)劃的方法獲得編隊(duì)多條備選路徑，然后根據(jù)實(shí)際需要建立代價(jià)函數(shù)，并以障礙位置作為約束條件，最終獲得可以避障的路徑；

（2） 構(gòu)造一個(gè)勢場函數(shù)，當(dāng)無人機(jī)越靠近障礙物時(shí)，勢場函數(shù)越大；反之，勢場函數(shù)越小。因此通過最小化勢場函數(shù)來規(guī)避障礙物，獲得最佳路徑。另外還有利用回轉(zhuǎn)力的方法、改進(jìn)模型預(yù)測控制等方法實(shí)現(xiàn)防撞避障[8?10]。

3.3 航跡規(guī)劃

無人機(jī)編隊(duì)的路徑規(guī)劃中在把編隊(duì)作為一個(gè)整體的條件下，可以看作單無人機(jī)航跡規(guī)劃進(jìn)行處理。而單無人機(jī)航跡規(guī)劃主要分為兩大方向：最優(yōu)式算法和啟發(fā)式算法。其中啟發(fā)式算法由于其計(jì)算方便而被廣泛應(yīng)用，主要方法有：

（1） A*算法。將無人機(jī)所要到達(dá)目標(biāo)視為一個(gè)點(diǎn)，通過設(shè)置一個(gè)估計(jì)函數(shù)來搜索區(qū)域中從當(dāng)前位置到目標(biāo)位置的權(quán)值，從而決定下一步搜索方向，最終得到無人機(jī)的路徑。

（2） 遺傳算法。在搜索之前對(duì)無人機(jī)的當(dāng)前位置及其航跡進(jìn)行編碼，隨機(jī)產(chǎn)生N個(gè)初始結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，代表所有可能的航跡；選取合適的適應(yīng)度函數(shù)，通過選擇、交叉、變異得到下一代群體，通過不斷進(jìn)化，最終得到最大適應(yīng)度值的個(gè)體即為最優(yōu)路徑。

另外還有粒子群優(yōu)化算法、蟻群算法及Voronoi圖算法等。

4 結(jié) 語

由于無人機(jī)編隊(duì)有著單無人機(jī)無法比擬的優(yōu)勢，使其必然成為未來無人機(jī)發(fā)展的新方向，能夠在更多的領(lǐng)域中使用。而要完成更多難度更大的任務(wù)，無人機(jī)編隊(duì)飛行必須提高整體能力。但目前無人機(jī)編隊(duì)還存在許多問題，要將其理論應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中去，還需要做進(jìn)一步的研究和實(shí)踐。

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要完成編隊(duì)隊(duì)形保持，需要為無人機(jī)設(shè)計(jì)隊(duì)形保持控制器。而通過對(duì)無人機(jī)的模型進(jìn)行分析，編隊(duì)中相鄰無人機(jī)之間的數(shù)學(xué)模型存在耦合，如果采用傳統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)方法，在設(shè)計(jì)過程中運(yùn)算量太大，而且隨著無人機(jī)數(shù)量的增多，運(yùn)算量增大迅速，無人機(jī)編隊(duì)的整體規(guī)模受到限制。因此需要設(shè)計(jì)合理控制器解決以上問題。

在執(zhí)行某些任務(wù)時(shí)，不僅要求無人機(jī)編隊(duì)能夠保持隊(duì)形不變，可能還需要在飛行過程中根據(jù)任務(wù)要求實(shí)時(shí)改變編隊(duì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，此時(shí)所設(shè)計(jì)的控制器不僅需要能夠保證隊(duì)形不變，還必須能夠?qū)崿F(xiàn)隊(duì)形變換。

在編隊(duì)飛行過程中渦旋也是影響隊(duì)形保持的重要因素。隊(duì)形中長機(jī)的尾部和翼尖產(chǎn)生氣流對(duì)后面僚機(jī)的飛行造成影響，導(dǎo)致僚機(jī)不能按照已定的方向飛行，使得隊(duì)形出現(xiàn)偏差，因此需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制律來解決渦旋造成的影響[4]。

2.2 防撞避障問題

防撞是指在編隊(duì)中各個(gè)無人機(jī)之間避免相互碰撞；避障則是指在無人機(jī)編隊(duì)飛行時(shí)遇到障礙能夠避開的能力。防撞避障中最根本需要解決的是探測問題。在防撞過程中，編隊(duì)中的無人機(jī)需要能夠獲得其他無人機(jī)的位置信息或者將自己的位置信息發(fā)送給其他無人機(jī)；而在避障過程中無人機(jī)需要能夠躲避各種可能的障礙物，障礙物有可能是預(yù)知的，也有可能是未知的。對(duì)于預(yù)知的障礙，可以在進(jìn)行航跡規(guī)劃時(shí)避開；而對(duì)于未知障礙，無人機(jī)需要具備實(shí)時(shí)處理障礙的能力。對(duì)于未知障礙的規(guī)避，必然導(dǎo)致無人機(jī)編隊(duì)偏離預(yù)定航跡，如何在盡量減少原路徑偏離量的情況下規(guī)避障礙是防撞避障所面臨的一個(gè)優(yōu)化問題。

2.3 航跡規(guī)劃問題

在無人機(jī)編隊(duì)飛行時(shí)，不僅需要對(duì)其進(jìn)行離線航跡規(guī)劃，避開已知障礙，還需要在飛行過程中實(shí)時(shí)更新航跡，保證無人機(jī)能夠避開新出現(xiàn)的障礙。而對(duì)航跡的進(jìn)一步優(yōu)化是航跡規(guī)劃問題的一個(gè)突破點(diǎn)。

3 無人機(jī)編隊(duì)飛行關(guān)鍵技術(shù)

3.1 編隊(duì)控制

為了解決編隊(duì)飛行時(shí)隊(duì)形保持面臨的問題，需要進(jìn)行編隊(duì)控制。為了解決編隊(duì)中相鄰無人機(jī)之間的耦合，可以對(duì)傳統(tǒng)控制器進(jìn)行改進(jìn)。即對(duì)無人機(jī)編隊(duì)進(jìn)行重新建模分成解耦部分和關(guān)聯(lián)部分，對(duì)解耦部分直接采用傳統(tǒng)控制器；而對(duì)關(guān)聯(lián)部分則采用改進(jìn)的分布式控制器，通過結(jié)合兩個(gè)控制器來實(shí)現(xiàn)對(duì)編隊(duì)的控制，實(shí)現(xiàn)有效編隊(duì)保持[5]。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)編隊(duì)變換，可將需要的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的幾何關(guān)系轉(zhuǎn)換成無人機(jī)編隊(duì)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程，再結(jié)合無人機(jī)本身的模型建立關(guān)于無人機(jī)編隊(duì)的線性化方程，最后設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制律實(shí)現(xiàn)編隊(duì)變換[6]。

對(duì)于長機(jī)產(chǎn)生的渦旋，需要考慮無人機(jī)各方向受到的力及力矩，包括橫測向以及縱向受到的上洗速度和側(cè)洗速度等[7]。利用渦旋調(diào)整技術(shù)，通過對(duì)長機(jī)機(jī)翼進(jìn)行調(diào)整，使得長機(jī)翼尖上的渦旋對(duì)僚機(jī)產(chǎn)生有利作用，從而保證編隊(duì)隊(duì)形不變。

3.2 防撞避障

無人機(jī)編隊(duì)飛行過程中，需要進(jìn)行防撞避障。由于在無人機(jī)進(jìn)行編隊(duì)控制時(shí)，各個(gè)無人機(jī)之間的距離是確定的，在控制律穩(wěn)健的情況下，無人機(jī)之間不會(huì)發(fā)生碰撞，即防撞問題解決。而避障，也已經(jīng)有很多較為成熟的方法，主要有：

（1） 通過航跡規(guī)劃的方法獲得編隊(duì)多條備選路徑，然后根據(jù)實(shí)際需要建立代價(jià)函數(shù)，并以障礙位置作為約束條件，最終獲得可以避障的路徑；

（2） 構(gòu)造一個(gè)勢場函數(shù)，當(dāng)無人機(jī)越靠近障礙物時(shí)，勢場函數(shù)越大；反之，勢場函數(shù)越小。因此通過最小化勢場函數(shù)來規(guī)避障礙物，獲得最佳路徑。另外還有利用回轉(zhuǎn)力的方法、改進(jìn)模型預(yù)測控制等方法實(shí)現(xiàn)防撞避障[8?10]。

3.3 航跡規(guī)劃

無人機(jī)編隊(duì)的路徑規(guī)劃中在把編隊(duì)作為一個(gè)整體的條件下，可以看作單無人機(jī)航跡規(guī)劃進(jìn)行處理。而單無人機(jī)航跡規(guī)劃主要分為兩大方向：最優(yōu)式算法和啟發(fā)式算法。其中啟發(fā)式算法由于其計(jì)算方便而被廣泛應(yīng)用，主要方法有：

（1） A*算法。將無人機(jī)所要到達(dá)目標(biāo)視為一個(gè)點(diǎn)，通過設(shè)置一個(gè)估計(jì)函數(shù)來搜索區(qū)域中從當(dāng)前位置到目標(biāo)位置的權(quán)值，從而決定下一步搜索方向，最終得到無人機(jī)的路徑。

（2） 遺傳算法。在搜索之前對(duì)無人機(jī)的當(dāng)前位置及其航跡進(jìn)行編碼，隨機(jī)產(chǎn)生N個(gè)初始結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，代表所有可能的航跡；選取合適的適應(yīng)度函數(shù)，通過選擇、交叉、變異得到下一代群體，通過不斷進(jìn)化，最終得到最大適應(yīng)度值的個(gè)體即為最優(yōu)路徑。

另外還有粒子群優(yōu)化算法、蟻群算法及Voronoi圖算法等。

4 結(jié) 語

由于無人機(jī)編隊(duì)有著單無人機(jī)無法比擬的優(yōu)勢，使其必然成為未來無人機(jī)發(fā)展的新方向，能夠在更多的領(lǐng)域中使用。而要完成更多難度更大的任務(wù)，無人機(jī)編隊(duì)飛行必須提高整體能力。但目前無人機(jī)編隊(duì)還存在許多問題，要將其理論應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中去，還需要做進(jìn)一步的研究和實(shí)踐。

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