周宣吉，王薇，王磊，邰灣灣，李中哲

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基于分布式人工勢場算法的無人機(jī)集群系統(tǒng)機(jī)間規(guī)避控制

周宣吉，王薇，王磊，邰灣灣，李中哲

（河北大學(xué)，河北 保定 071000）

機(jī)間防碰撞問題是集群系統(tǒng)研究的關(guān)鍵問題之一。針對集群無人機(jī)的機(jī)間規(guī)避問題，提出了一種基于人工勢場法與分布式相結(jié)合的規(guī)避方法，并用仿真數(shù)據(jù)以及實(shí)驗進(jìn)行佐證。該方法在集群的基礎(chǔ)上，定義了無人機(jī)自身產(chǎn)生的斥力勢場和引力勢場來實(shí)現(xiàn)機(jī)間防撞；利用分布式思想，通過中央操控系統(tǒng)對多架無人機(jī)進(jìn)行分組，使無人機(jī)之間進(jìn)行充分通信，從而降低增益系數(shù)的不利影響。MATLAB仿真實(shí)驗表明，該方法具有較好的可行性和魯棒性，能有效解決機(jī)間防碰撞的問題。

人工勢場法；無人機(jī)集群系統(tǒng)；規(guī)避方法；仿真數(shù)據(jù)

無人機(jī)集群是指無人機(jī)依靠局部感知和相互作用而自主決定運(yùn)動狀態(tài)，并由單無人機(jī)局部行為構(gòu)成多無人機(jī)全局行為的協(xié)同方式[1]。無人機(jī)集群廣泛應(yīng)用在搜索救援、交通監(jiān)測[2]中，因此無人機(jī)必須能夠成功地感知并避開障礙物，避免與障礙物或其他無人機(jī)碰撞[2]。

1 方案總述

本方案解決無人機(jī)集群系統(tǒng)的機(jī)間防碰撞問題，采用分布式與人工勢場算法相結(jié)合的方式。在理論層面建立了數(shù)學(xué)模型，搭建起了無人機(jī)系統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)機(jī)制。利用分布式思想，根據(jù)無人機(jī)集群密集程度對其進(jìn)行實(shí)時動態(tài)立體分組，小組內(nèi)信息進(jìn)行共享，以減少無人機(jī)飛控計算量?；谠既斯輬?，構(gòu)建了一種三維空間復(fù)合矢量人工勢場，組內(nèi)無人機(jī)之間具有引力和斥力，實(shí)現(xiàn)了機(jī)間規(guī)避。外設(shè)中央操控系統(tǒng)，將無人機(jī)劃分為多個小組，在組內(nèi)進(jìn)行無人機(jī)的位置、高度、速度、偏角等信息實(shí)時共享，小組內(nèi)無人機(jī)數(shù)量可根據(jù)無人機(jī)密集程度進(jìn)行調(diào)整。

2 人工勢場

2.1 建立模型

設(shè)定無人機(jī)受組內(nèi)其他無人機(jī)影響的作用區(qū)域為球體，以任意一架無人機(jī)為球心，將無人機(jī)周圍的球分成3層，即斥力球（1）、引力球（2）、臨界球（3），臨界用于判斷有無產(chǎn)生引力和斥力的必要。其球體模型如圖1所示。

當(dāng)同一小組內(nèi)出現(xiàn)任意兩架無人機(jī)之間的距離過近，即斥力層相外切甚至相交（≤21）的現(xiàn)象時，如圖2（a）所示他們在（1，1，1）點(diǎn)和（2，2，2）點(diǎn)連成的直線上向相反的方向移動，以減小碰撞的危險性。

當(dāng)同一小組內(nèi)出現(xiàn)任意兩架無人機(jī)之間的距離過遠(yuǎn)（≥22）的現(xiàn)象時，如圖2（b）所示，他們在（3，3，3）點(diǎn)和（4，4，4）點(diǎn)連成的直線上向相近的方向移動，以防止路徑偏移。當(dāng)同一小組內(nèi)的無人機(jī)引力層相交但是斥力層沒有相交（21≤≤22）時，此時既沒有引力也沒有斥力，如圖3所示。

圖1 球體模型

圖2 模型講解示意圖

2.2 算法

2.2.1 兩個無人機(jī)之間斥力作用

無人機(jī)之間的距離滿足1＜＜21時，它們之間的斥力隨的變小而小范圍增大；如果無人機(jī)之間的距離滿足＜1時，代表這兩架無人機(jī)有碰撞的危險，它們之間的斥力隨的變小而大范圍增大以規(guī)避。

圖3 模型講解示意

進(jìn)一步得到：

2.2.2 兩個無人機(jī)之間引力作用

同一小組內(nèi)的任意兩架無人機(jī)之間距離過遠(yuǎn)（引力層相離）但依舊處在作用區(qū)（虛線層處在相交的狀態(tài)），這兩架無人機(jī)受引力作用，引力保證該兩架無人機(jī)集結(jié)相互作用。

2.2.3 無人機(jī)所受合力公式

令系統(tǒng)內(nèi)任意一架無人機(jī)共受個斥力，個引力，則系統(tǒng)內(nèi)任意一架無人機(jī)所受合力為：

3 分布式

采用人工勢場與分布式相結(jié)合的方法，通過中央操控系統(tǒng)實(shí)時收集整個系統(tǒng)內(nèi)所有的無人機(jī)的位置等信息，并依據(jù)各個無人機(jī)的具體位置實(shí)時劃分為許多個小組。

具體分組方式如下：①集群內(nèi)的各無人機(jī)單元將位置信息傳遞給中央操控系統(tǒng)，系統(tǒng)模擬出一個長方體，該長方體包括所有的無人機(jī)。設(shè)該長方體的長為，寬為，高為，，，均為常數(shù)，該常數(shù)可以根據(jù)無人機(jī)集群的實(shí)時位置信息進(jìn)行調(diào)整。②選取基點(diǎn)時，設(shè)劃分后小長方體的長=1 m、寬=1 m、高=0.5 m，以此長方體為基本單元進(jìn)行劃分。

中央操控系統(tǒng)分別在長方體上的長寬高上取，，個點(diǎn)，，，的取值如下：

4 仿真結(jié)果

4.1 仿真步驟及流程

中央操控系統(tǒng)確定環(huán)境區(qū)域大小，并確定基點(diǎn)位置及數(shù)量，一次分組結(jié)束后每個基點(diǎn)對應(yīng)的無人機(jī)數(shù)量將固定。分組后小組內(nèi)無人機(jī)進(jìn)行信息共享，基于人工勢場法進(jìn)行機(jī)間避障。分布式與人工勢場相結(jié)合進(jìn)行無人機(jī)機(jī)間規(guī)避的仿真流程如圖4所示。

圖4 仿真流程圖

4.2 仿真結(jié)果及分析

現(xiàn)從小組中取3架無人機(jī)進(jìn)行單獨(dú)研究，設(shè)無人機(jī)單元1為W1，無人機(jī)單元2為W2，無人機(jī)單元3為W3?，F(xiàn)有初始狀態(tài)如下：W3與W2之間為斥力1，W1與W3之間為斥力2，并且有1<2，W1與W2之間為引力3.相鄰無人機(jī)之間的距離隨時間變化的圖像如圖5所示。

在圖5中，曲線1為W1與W2的距離；曲線2為W2與W3的距離；曲線3為W3與W1的距離。

分析曲線可知：①曲線1中開始段為W1與W2的靠近段，二者之間的吸引力逐漸減小。②曲線2的開始段為無人機(jī)遠(yuǎn)離階段，直到到達(dá)安全區(qū)飛機(jī)不再受力。無人機(jī)W3在曲線中間部分受到風(fēng)力的外力作用，偏移其穩(wěn)定位置，重新受到斥力作用，然后飛機(jī)偏移安全區(qū)，進(jìn)而使得W3與W1、W2的距離過遠(yuǎn)，不在一個組內(nèi)。

圖5 規(guī)避模型示意圖

5 結(jié)束語

針對集群基礎(chǔ)上的多無人機(jī)機(jī)間規(guī)避，提出了一種分布式與人工勢場相結(jié)合的方法。確定無人機(jī)區(qū)域大小，然后通過數(shù)據(jù)傳輸單元，中央操控系統(tǒng)根據(jù)無人機(jī)傳回的位置信息對無人機(jī)進(jìn)行分組，并且實(shí)現(xiàn)信息的組內(nèi)共享，以減少無人機(jī)的運(yùn)算量，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。定義了人工勢場，并搭載毫米波雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)了多無人機(jī)的機(jī)間避障。仿真結(jié)果表明，該算法可以進(jìn)行高效分組，各組無人機(jī)之間的信息也可以進(jìn)行實(shí)時共享，使無人機(jī)機(jī)間的規(guī)避成為可能，具有較高的應(yīng)用價值。實(shí)驗結(jié)果表明，人工勢場與分布式相結(jié)合的方法可以在很大程度上降低了增量系數(shù)帶來的不利影響，有較好的應(yīng)用前景。

［1］沈東，魏瑞軒，茹常劍.基于數(shù)字信息素的無人機(jī)集群搜索操控方法［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2013，35（3）：591-596.

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2095－6835（2018）24－0019－03

C829.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.24.019

周宣吉（1998—），男，河北滄州人，本科，研究方向為無人機(jī)智能集群作業(yè)。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕