方洋旺，歐陽(yáng)楚月，符文星，程昊宇

（1.西北工業(yè)大學(xué)無(wú)人系統(tǒng)技術(shù)研究院，西安 710072；2.西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，西安 710072）

1 引 言

隨著當(dāng)代軍事作戰(zhàn)方式的變革和生產(chǎn)成本的降低，無(wú)人機(jī)已經(jīng)成為全球軍事部門、研究機(jī)構(gòu)和高等院校的研究熱點(diǎn)。無(wú)人機(jī)在軍事作戰(zhàn)上具有巨大的優(yōu)勢(shì)，例如無(wú)人機(jī)在作戰(zhàn)時(shí)不攜帶飛行員，對(duì)于危險(xiǎn)性高的任務(wù)，可以做到零人員傷亡；無(wú)人機(jī)安裝自動(dòng)駕駛系統(tǒng)進(jìn)行飛行控制，不需要駕駛艙和安全救生等設(shè)備，從一定程度上減小飛機(jī)體積，降低成本［1］；無(wú)人機(jī)由于不需要飛行員，因此能夠進(jìn)行更激烈的動(dòng)作，在空中的停留時(shí)間也不會(huì)受到飛行員生理限制的影響［2］。然而當(dāng)單架無(wú)人機(jī)在執(zhí)行大型復(fù)雜的任務(wù)時(shí)，仍會(huì)存在諸多問(wèn)題。從時(shí)間來(lái)看，單架無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間較短，對(duì)于一些需要大面積、長(zhǎng)時(shí)間搜索的復(fù)雜任務(wù)，無(wú)人機(jī)的最大行程將被限制；從空間來(lái)看，單架無(wú)人機(jī)的活動(dòng)半徑有限，執(zhí)行大規(guī)模軍事偵察任務(wù)時(shí)將嚴(yán)重降低任務(wù)完成效率；從任務(wù)層面來(lái)看，單架無(wú)人機(jī)的抗干擾能力、探測(cè)能力、武器載荷能力均有限，將增加任務(wù)失敗概率。與此相比，多無(wú)人機(jī)協(xié)同編隊(duì)能解決時(shí)間、空間、任務(wù)層面上的沖突［3］。當(dāng)任務(wù)復(fù)雜、飛行區(qū)域較大時(shí)，可以將總?cè)蝿?wù)分成一些簡(jiǎn)單的小任務(wù)，每架無(wú)人機(jī)攜帶不同的設(shè)備分別完成各自的任務(wù)，使總?cè)蝿?wù)能夠一次完成，從而顯著提高任務(wù)效率。

無(wú)人機(jī)在編隊(duì)飛行執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中，需要解決隊(duì)形保持、防撞避障、航跡規(guī)劃等問(wèn)題。避障問(wèn)題是無(wú)人機(jī)編隊(duì)執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中必須要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一，這一問(wèn)題包含了無(wú)人機(jī)編隊(duì)的機(jī)間內(nèi)部碰撞問(wèn)題和外界障礙物回避問(wèn)題［4］。無(wú)人機(jī)近距編隊(duì)飛行時(shí)，在編隊(duì)內(nèi)部，多機(jī)之間要保持一定的距離，最小安全距離是不可逾越的紅線；在編隊(duì)外部，空域中的障礙物是重大威脅，同樣不能小于最小安全距離。如何避免發(fā)生碰撞是確保編隊(duì)安全性的核心內(nèi)容，也是目前無(wú)人機(jī)協(xié)同編隊(duì)制導(dǎo)與控制技術(shù)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2 單無(wú)人機(jī)避障與控制技術(shù)

2.1 人工勢(shì)場(chǎng)法

人工勢(shì)場(chǎng)法由Khatib于1985年提出［5］，實(shí)際上是一種擬物方法，使障礙物的分布情況等信息反映在環(huán)境中每一點(diǎn)的勢(shì)場(chǎng)值當(dāng)中，根據(jù)勢(shì)場(chǎng)值的大小，決定無(wú)人機(jī)的行進(jìn)方向和速度。人工勢(shì)場(chǎng)法因計(jì)算量小、實(shí)時(shí)性好、意義明確、便于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)得到了廣泛的研究和應(yīng)用，但傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)法存在易陷入局部最優(yōu)、在狹窄通道中存在航跡抖動(dòng)、對(duì)于動(dòng)態(tài)障礙物規(guī)避效果不佳等問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究來(lái)改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)法。

目前解決無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)障礙物避障問(wèn)題比較成熟的是“感知-規(guī)避”方法，其中，碰撞錐方法就是典型的“感知-規(guī)避”方法。碰撞錐概念由文獻(xiàn)［6］提出，該方法在無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)障礙物避障、實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)和威脅評(píng)估方面有著巨大優(yōu)勢(shì)。碰撞錐基于無(wú)人機(jī)和障礙物相對(duì)位置矢量和相對(duì)速度矢量的簡(jiǎn)單幾何關(guān)系，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)未知軌跡的移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行碰撞檢測(cè)，并能實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)無(wú)人機(jī)與障礙物的碰撞位置及碰撞時(shí)間。碰撞錐因其快速準(zhǔn)確的碰撞預(yù)測(cè)和評(píng)估能力，被廣泛應(yīng)用于動(dòng)態(tài)環(huán)境下無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)與威脅評(píng)估。文獻(xiàn)［7］利用碰撞錐的碰撞檢測(cè)條件與威脅評(píng)估能力來(lái)改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)函數(shù)，提出一種基于碰撞錐改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)的無(wú)人機(jī)避障路徑規(guī)劃算法。文獻(xiàn)［8］針對(duì)不同屬性的障礙物所構(gòu)成的威脅分布模型，首先對(duì)障礙物分布建立柵格化模型；然后根據(jù)靜態(tài)障礙物，基于稀疏A*搜索算法進(jìn)行全局航跡規(guī)劃；最后結(jié)合預(yù)規(guī)劃路徑和動(dòng)態(tài)障礙物分布，利用改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)法完成無(wú)人機(jī)的動(dòng)態(tài)避障，提出了一種基于稀疏A*搜索算法預(yù)規(guī)劃和改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)法相結(jié)合的無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)避障算法。文獻(xiàn)［9］基于生物群集理論，針對(duì)多智能體系統(tǒng)的避障問(wèn)題，在傳統(tǒng)勢(shì)場(chǎng)函數(shù)的基礎(chǔ)上，提出了靜態(tài)障礙環(huán)境下的多智能體編隊(duì)避障策略，其中包括基于群集理論的分布式群組運(yùn)動(dòng)模型、基于極限環(huán)理論的智能體避障控制算法。該方法提出了清晰的多智能體系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制框架，通過(guò)算法方面的改進(jìn)和優(yōu)化，有效地克服了人工勢(shì)場(chǎng)法在智能體避障控制中易陷入局部極值，以及障礙物周圍易發(fā)生振蕩等缺陷，為多智能體的編隊(duì)控制問(wèn)題提出了新思路。文獻(xiàn)［10］基于虛擬結(jié)構(gòu)和“長(zhǎng)機(jī)-僚機(jī)”控制策略，提出一種三維空間復(fù)合矢量人工勢(shì)場(chǎng)方法，復(fù)合人工勢(shì)場(chǎng)由平行xy平面和平行yz平面的人工勢(shì)場(chǎng)復(fù)合而成，可以避開(kāi)障礙物周圍每個(gè)局部最小位置，而且以最優(yōu)路徑快速繞過(guò)障礙物，集結(jié)編隊(duì)飛行到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，斥力能夠避免無(wú)人機(jī)之間發(fā)生碰撞，同時(shí)也避免無(wú)人機(jī)與障礙物發(fā)生碰撞，達(dá)到避障的目的。文獻(xiàn)［11］利用分段思想對(duì)勢(shì)場(chǎng)函數(shù)進(jìn)行修正，解決了目標(biāo)不可達(dá)問(wèn)題，引入回環(huán)力和飛行器間作用力，解決了局部極小值問(wèn)題和飛行器間的碰撞問(wèn)題。文獻(xiàn)［12］增加一個(gè)指數(shù)項(xiàng)到引力場(chǎng)函數(shù)中，然后將一敏感度參數(shù)引入斥力場(chǎng)函數(shù)，該方法消除了奇異值點(diǎn)，避免了抖動(dòng)現(xiàn)象，靈活控制運(yùn)動(dòng)過(guò)程中無(wú)人機(jī)與障礙物距離的大小，新的人工勢(shì)場(chǎng)函數(shù)不僅有傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)法簡(jiǎn)潔、快速的優(yōu)點(diǎn)，還可以將其運(yùn)用到實(shí)時(shí)避障控制中，但不適用于高速無(wú)人機(jī)。

2.2 速度障礙法

最早Khatib 和Erdmann 等人開(kāi)始研究如何使無(wú)人機(jī)安全導(dǎo)引到目標(biāo)點(diǎn)并順利避開(kāi)動(dòng)態(tài)障礙物，后來(lái)，學(xué)者們把在靜態(tài)環(huán)境下應(yīng)用成功的避障方法推廣到動(dòng)態(tài)環(huán)境中去。文獻(xiàn)［13］中通過(guò)考慮無(wú)人機(jī)及障礙物的速度，結(jié)合到勢(shì)能函數(shù)的構(gòu)造中，得到適用于動(dòng)態(tài)環(huán)境的勢(shì)場(chǎng)法。文獻(xiàn)［14］中通過(guò)動(dòng)態(tài)窗口方法進(jìn)行路徑規(guī)劃及避障，這些方法在靜態(tài)環(huán)境下得到較好的結(jié)果，但在無(wú)人機(jī)高速運(yùn)動(dòng)情況下，避障效果并不理想。主要原因是在動(dòng)態(tài)環(huán)境下，碰撞判斷及避障情況下對(duì)速度的控制與靜態(tài)環(huán)境相比存在較大區(qū)別。為解決動(dòng)態(tài)環(huán)境下的碰撞判斷問(wèn)題，文獻(xiàn)［15-16］提出了基于運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的碰撞判斷方法，文獻(xiàn)［15］定義了碰撞錐的概念，根據(jù)視線的距離及角速度來(lái)確定碰撞條件，文獻(xiàn)［16］中基于視線角速度方程，對(duì)直接碰撞和間接碰撞進(jìn)行了比較，文獻(xiàn)［17］通過(guò)對(duì)某一時(shí)刻，在考慮無(wú)人機(jī)及障礙物相對(duì)位置情況下，對(duì)可能的碰撞速度進(jìn)行時(shí)間積分，得到非線性速度障礙集進(jìn)行避障。文獻(xiàn)［18］基于無(wú)人機(jī)與障礙物之間的幾何關(guān)系，在極坐標(biāo)系下建立了無(wú)人機(jī)與障礙物之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，通過(guò)引入基于角度線性化的比例導(dǎo)引律，使無(wú)人機(jī)能夠順利避開(kāi)障礙物。文獻(xiàn)［19］在極坐標(biāo)系下建立無(wú)人機(jī)與障礙物之間的幾何關(guān)系并且建立無(wú)人機(jī)與障礙物之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，通過(guò)設(shè)計(jì)滑模變結(jié)構(gòu)有限時(shí)間收斂制導(dǎo)律，使無(wú)人機(jī)與避障點(diǎn)的視線角速率收斂到零，相對(duì)速度方向收斂到期望的避障方向，使無(wú)人機(jī)能夠順利避開(kāi)運(yùn)動(dòng)障礙物。無(wú)人機(jī)與障礙物幾何關(guān)系如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)與障礙物幾何結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the geometry of the drone and obstacle

2.3 Dubins路徑法

Dubins路徑定義為：在最大曲率限制下，平面內(nèi)兩個(gè)有方向的點(diǎn)間的最短可行路徑是CLC路徑或CCC路徑，或是其子集，其中，C表示圓弧段，L表示與C相切的直線段。文獻(xiàn)［20］提出一種基于路徑的無(wú)人機(jī)的避障規(guī)劃算法，采用遺傳算法，結(jié)合無(wú)人機(jī)的飛行性能和最小轉(zhuǎn)彎半徑得到一種在已知障礙空間位置前提下的無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃方法，通過(guò)算法改進(jìn)，將其推廣成為在未知障礙物位置等先驗(yàn)知識(shí)的前提下的無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)避障算法。該方法可以解決多障礙環(huán)境下無(wú)人機(jī)避障控制實(shí)時(shí)生成的問(wèn)題，其路徑較傳統(tǒng)避障方法獲取的路徑而言，考慮了無(wú)人機(jī)自身的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，在工程應(yīng)用中有很好的實(shí)用性。

3 多無(wú)人機(jī)編隊(duì)避障與控制技術(shù)

以上文獻(xiàn)的研究主要集中在單無(wú)人機(jī)避障與控制技術(shù)上，對(duì)于多無(wú)人機(jī)編隊(duì)避障與控制技術(shù)，Shin Hyo-Sang用幾何分析法預(yù)測(cè)碰撞沖突，研究了只控制偏航角的沖突規(guī)避法，然而多無(wú)人機(jī)編隊(duì)避障與控制技術(shù)還有很廣闊的研究空間。

3.1 多無(wú)人機(jī)編隊(duì)防碰撞

多無(wú)人機(jī)編隊(duì)避障與控制是指在多無(wú)人機(jī)協(xié)同執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中，必須保證編隊(duì)中每一架無(wú)人機(jī)規(guī)避戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的障礙物，并且編隊(duì)中的無(wú)人機(jī)之間也不能發(fā)生碰撞。如果多無(wú)人機(jī)編隊(duì)規(guī)模較小，任意一架無(wú)人機(jī)的損失將使多無(wú)人機(jī)編隊(duì)的戰(zhàn)斗力下降；而如果多無(wú)人機(jī)編隊(duì)規(guī)模較大，無(wú)人機(jī)之間的碰撞或是無(wú)人機(jī)與障礙物的碰撞可能會(huì)引發(fā)連鎖反應(yīng)，造成其它無(wú)人機(jī)的碰撞。多無(wú)人機(jī)編隊(duì)控制中的實(shí)時(shí)避障問(wèn)題可歸結(jié)為單個(gè)無(wú)人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)航跡規(guī)劃，但是當(dāng)編隊(duì)規(guī)模較大時(shí)，需要進(jìn)行協(xié)同避障，這樣才能具有更好的控制效果和良好的擴(kuò)展性。

文獻(xiàn)［21］利用協(xié)同航跡規(guī)劃方法解決多機(jī)防碰撞問(wèn)題，但只適用于合作型無(wú)人機(jī)，僅在很少情況下適用。文獻(xiàn)［22］使用幾何最優(yōu)法，以入侵機(jī)為原點(diǎn)修正本機(jī)速度和位置，速度矢量和保護(hù)圓相交則沖突，選擇改變偏航角使速度和圓相切，但只在二維平面內(nèi)適用。文獻(xiàn)［23］以兩架固定翼無(wú)人機(jī)在同高度、有障礙物環(huán)境下的路徑規(guī)劃為應(yīng)用背景，針對(duì)傳統(tǒng)基于網(wǎng)格的A*搜索算法沒(méi)有考慮飛行性能約束的問(wèn)題，首先利用Dubins曲線找到有效節(jié)點(diǎn)，結(jié)合A*啟發(fā)式搜索的思想，分別為每架無(wú)人機(jī)離線構(gòu)建由Dubins曲線組成的最短避障路徑；在兩機(jī)同高度飛行過(guò)程中，通過(guò)相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系判斷是否碰撞，使用“向量共享”解得航向改變量以及在線路徑重規(guī)劃，得到兩機(jī)的防撞避障路徑。該方法的不足之處是僅考慮了兩架無(wú)人機(jī)的航跡安全和避障等基本問(wèn)題，沒(méi)有考慮如何拓展至更多無(wú)人機(jī)執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的情況。文獻(xiàn)［24］針對(duì)現(xiàn)有防碰控制方法中的無(wú)人機(jī)編隊(duì)不能充分利用機(jī)間通信、無(wú)法保持固有隊(duì)形的缺陷，提出人工勢(shì)場(chǎng)與信息一致性相結(jié)合的方法，融合這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，在防碰的同時(shí)不僅充分利用了機(jī)間通信信息，又能夠?qū)崿F(xiàn)隊(duì)形保持。下圖所示為人工勢(shì)場(chǎng)示意圖：

圖2 人工勢(shì)場(chǎng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of artificial potential field

基于人工勢(shì)場(chǎng)與信息一致性的聯(lián)合防碰撞控制算法如下所示：

文獻(xiàn)［25］通過(guò)增加方向協(xié)調(diào)力解決人工勢(shì)場(chǎng)法在動(dòng)態(tài)復(fù)雜的環(huán)境中存在局部極小點(diǎn)及受迫性碰撞的問(wèn)題，然后將改進(jìn)的人工勢(shì)場(chǎng)法應(yīng)用于每個(gè)無(wú)人機(jī)中，通過(guò)多機(jī)之間的協(xié)同和避障的條件約束，能夠?qū)崿F(xiàn)多無(wú)人機(jī)同時(shí)到達(dá)目標(biāo)，且實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)之間的避障和在工作區(qū)間內(nèi)躲避障礙物。文獻(xiàn)［26］基于虛擬結(jié)構(gòu)和人工勢(shì)場(chǎng)的方法設(shè)計(jì)了無(wú)人機(jī)編隊(duì)避障控制，虛擬結(jié)構(gòu)法定義虛擬結(jié)構(gòu)來(lái)表示編隊(duì)隊(duì)形，各無(wú)人機(jī)通過(guò)將隊(duì)形誤差反饋到自身控制器中，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的隊(duì)形保持，但在編隊(duì)飛行過(guò)程中的障礙物規(guī)避問(wèn)題沒(méi)有得到解決。人工勢(shì)場(chǎng)法中，通過(guò)設(shè)計(jì)合適的勢(shì)場(chǎng)函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)障礙物的規(guī)避，但對(duì)隊(duì)形的保持能力較差。將兩個(gè)算法相結(jié)合，編隊(duì)可以保持隊(duì)形，在有障礙物時(shí)，各無(wú)人機(jī)可以順利避障。文獻(xiàn)［27］詳細(xì)研究了密集編隊(duì)的避障問(wèn)題，建立了透光性假說(shuō)的避障模型，并基于LMPC控制理論設(shè)計(jì)了密集編隊(duì)無(wú)人機(jī)防碰撞的飛行控制器。但其只研究了密集編隊(duì)無(wú)人機(jī)內(nèi)部防碰撞的問(wèn)題，并沒(méi)有研究如何避障的問(wèn)題。

3.2 多無(wú)人機(jī)機(jī)間防碰撞

文獻(xiàn)［28］提出一種改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)方法解決多無(wú)人機(jī)機(jī)間防碰撞問(wèn)題。首先通過(guò)建立無(wú)人機(jī)的引力與斥力受力模型，在此基礎(chǔ)上，將每架無(wú)人機(jī)視為移動(dòng)障礙物，自身產(chǎn)生的斥力勢(shì)場(chǎng)來(lái)避免與其他無(wú)人機(jī)之間的相互碰撞。當(dāng)人工勢(shì)場(chǎng)法陷入局部極小值時(shí)，通過(guò)構(gòu)造虛擬障礙物的方法，使得無(wú)人機(jī)逃離局部最優(yōu)；提出分段Bezier 曲線對(duì)路徑進(jìn)行在線實(shí)時(shí)平滑優(yōu)化，在兩個(gè)分段曲線連接處保證了曲線的平滑性，防止無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中做大角度轉(zhuǎn)彎，平滑后的路徑不僅不再出現(xiàn)路徑振蕩現(xiàn)象，而且整條航線變得更加平滑順暢。文獻(xiàn)［29］針對(duì)傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)法進(jìn)行航跡規(guī)劃易陷入局部極小點(diǎn)、發(fā)生脅迫性碰撞、目標(biāo)點(diǎn)無(wú)法到達(dá)的問(wèn)題，提出一種基于改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)法的無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃算法。該方法通過(guò)在合力場(chǎng)中引入方向協(xié)調(diào)力及無(wú)人機(jī)與目標(biāo)點(diǎn)的距離來(lái)解決傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)法存在的問(wèn)題，引入目標(biāo)點(diǎn)和無(wú)人機(jī)之間距離的影響，找到一個(gè)新的斥力函數(shù)，當(dāng)無(wú)人機(jī)接近目標(biāo)點(diǎn)時(shí)，斥力逐漸變?yōu)榱?，使整個(gè)合勢(shì)場(chǎng)能夠在目標(biāo)點(diǎn)達(dá)到最小，使障礙物與無(wú)人機(jī)在目標(biāo)點(diǎn)附近，從而能夠到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。通過(guò)新建立的勢(shì)場(chǎng)函數(shù)可以保證在目標(biāo)點(diǎn)達(dá)到全局最小，避免了目標(biāo)不可達(dá)問(wèn)題，但局部最小問(wèn)題仍然存在。當(dāng)障礙物和目標(biāo)點(diǎn)在同一條直線上，無(wú)人機(jī)受力的控制，只能在直線上反復(fù)運(yùn)動(dòng)。為解決不能到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的問(wèn)題，改進(jìn)方案中加入方向協(xié)調(diào)力，在計(jì)算x軸方向的合力時(shí)，引入y軸方向的方向協(xié)調(diào)力，在計(jì)算y軸方向的合力時(shí)，引入x軸方向的方向協(xié)調(diào)力。文獻(xiàn)［30］針對(duì)無(wú)人機(jī)編隊(duì)內(nèi)部避障問(wèn)題，首先采用基于預(yù)測(cè)控制的方法，解決了在即將發(fā)生碰撞情況下無(wú)人機(jī)的航向調(diào)整問(wèn)題；然后建立航路回歸模型，解決了在無(wú)人機(jī)避障后迅速回歸預(yù)定航路的問(wèn)題。這種方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)速度快，能夠?qū)崟r(shí)在線處理各種信息，符合文中對(duì)無(wú)人機(jī)編隊(duì)避障控制的需求。無(wú)人機(jī)預(yù)測(cè)控制模型流程圖如圖3所示。

圖3 預(yù)測(cè)控制模型流程圖Fig.3 Flow chart of predictive control model

4 無(wú)人機(jī)編隊(duì)避障與控制技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

4.1 密集編隊(duì)的避障與控制技術(shù)

目前對(duì)于密集無(wú)人機(jī)或蜂群無(wú)人機(jī)的避障與控制技術(shù)研究較少，主要原因是由于密集編隊(duì)碰撞很容易產(chǎn)生鏈?zhǔn)叫?yīng)，由于每架無(wú)人機(jī)可機(jī)動(dòng)的空間很小，一旦某無(wú)人機(jī)發(fā)生碰撞，將很快影響鄰近的無(wú)人機(jī)，但鄰近無(wú)人機(jī)為了防止碰撞向周邊作出機(jī)動(dòng)時(shí)可能又會(huì)碰到其他的無(wú)人機(jī)，而其他的無(wú)人機(jī)又作規(guī)避機(jī)動(dòng)，又碰到其鄰近無(wú)人機(jī)，這種碰撞就像鏈?zhǔn)椒磻?yīng)一樣，或稱為鏈?zhǔn)叫?yīng)。因此，避障與控制算法的主要難點(diǎn)是：如何確定無(wú)人機(jī)周圍可容許機(jī)動(dòng)的自由空間，以及如果機(jī)動(dòng)空間不夠時(shí)如何處理確保鏈?zhǔn)椒磻?yīng)不要進(jìn)行下去。目前，基于鳥(niǎo)類透光避障原理模型已經(jīng)應(yīng)用到密集編隊(duì)無(wú)人機(jī)避障與控制中，但對(duì)于密集編隊(duì)規(guī)避靜態(tài)或動(dòng)態(tài)障礙物碰撞的技術(shù)尚未見(jiàn)報(bào)道。可以考慮將現(xiàn)有復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的分割方法、各種協(xié)同避障算法與透光性避障模型相結(jié)合，利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的分割方法將密集編隊(duì)無(wú)人機(jī)劃分成一些子群組。首先以子群組為單元利用規(guī)劃調(diào)度的方法進(jìn)行避障子群組控制設(shè)計(jì)；然后基于透光性模型解決無(wú)人機(jī)可機(jī)動(dòng)的自由空間問(wèn)題；再采用虛擬力或調(diào)整高度的方法設(shè)計(jì)密集編隊(duì)在可機(jī)動(dòng)自由空間約束條件下的子群組成員避障控制算法。

4.2 干擾條件下的避障與控制技術(shù)

當(dāng)無(wú)人機(jī)編隊(duì)接近障礙物時(shí)，各種地理環(huán)境的自然干擾和人為干擾對(duì)無(wú)人機(jī)編隊(duì)傳感器探測(cè)、編隊(duì)間的通信以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都產(chǎn)生很大的影響，從而造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)變、通信產(chǎn)生延時(shí)和丟包以及傳感器測(cè)量誤差增大等問(wèn)題。目前基于干擾環(huán)境下無(wú)人機(jī)編隊(duì)避障與控制技術(shù)的研究較少，可以考慮將障礙物也看作無(wú)人機(jī)編隊(duì)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成新的無(wú)人機(jī)編隊(duì)，同時(shí)在干擾條件下的多智能體模型中加入各種虛擬力函數(shù)解決碰撞問(wèn)題。

4.3 密集障礙物的避障與控制技術(shù)

當(dāng)無(wú)人機(jī)編隊(duì)在城市或山區(qū)飛行時(shí)，有可能遇到密集障礙物的避障問(wèn)題，其主要難點(diǎn)一方面是各種干擾不可避免，另一方面可能在短時(shí)間內(nèi)需要進(jìn)行編隊(duì)拆分、編隊(duì)形成等過(guò)程。當(dāng)基于多智能體一致性原理設(shè)計(jì)避障控制時(shí)，一方面考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)變、通信產(chǎn)生延時(shí)和丟包以及信息精度不高的問(wèn)題，另一方面要考慮多智能體一致性收斂時(shí)間的問(wèn)題，即如果基于干擾條件下多智能體通過(guò)收斂達(dá)到一致性的時(shí)間大于飛行兩個(gè)相鄰兩個(gè)障礙物需要的時(shí)間時(shí)，多智能體一致性條件就無(wú)法滿足。因此，可以考慮采用將有限時(shí)間收斂的控制方法與干擾條件下多智能體避障控制算法結(jié)合，給出密集障礙物的避障與控制算法。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文首先針對(duì)人工勢(shì)場(chǎng)法存在易陷入局部最優(yōu)、航跡抖動(dòng)、對(duì)動(dòng)態(tài)障礙物規(guī)避效果不佳的問(wèn)題，介紹了幾種改進(jìn)的人工勢(shì)場(chǎng)法。提出將靜態(tài)環(huán)境下應(yīng)用成功的速度障礙法推廣到動(dòng)態(tài)環(huán)境的思路，以及改進(jìn)Dubins算法，推廣為在多未知障礙環(huán)境下的實(shí)時(shí)避障控制。在單無(wú)人機(jī)控制基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了多無(wú)人機(jī)編隊(duì)避障與控制技術(shù)在不同方法下的優(yōu)缺點(diǎn)，并介紹了多無(wú)人機(jī)機(jī)間防碰撞的常用方法。最后分別提出了避障與控制技術(shù)在密集編隊(duì)、干擾環(huán)境、密集障礙物條件下的技術(shù)難點(diǎn)，并提出了可行的解決思路，為研究無(wú)人機(jī)避障和控制技術(shù)的科研人員提供借鑒和參考。