王斐斐

(臨汾市誠(chéng)翰晟測(cè)繪科技有限公司， 山西 臨汾 041000）

無(wú)人機(jī)集群是由一定數(shù)量的無(wú)人機(jī)共同組成， 以交感網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)， 整體具有能力涌現(xiàn)特點(diǎn)的空中移動(dòng)多智能體系統(tǒng)。 相比于追求將所有功能集成于一身的傳統(tǒng)飛行器， 無(wú)人機(jī)集群具有多智能體系統(tǒng)的諸多優(yōu)點(diǎn)， 如感知與執(zhí)行的分布式與并行性、 冗余性、 容錯(cuò)性、 單個(gè)成本的低廉性及整體功能的涌現(xiàn)性。 尤其是近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、 無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、 控制技術(shù)、 多智能系統(tǒng)理論、 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的迅猛發(fā)展， 以協(xié)同飛行控制為核心的無(wú)人機(jī)集群已成為飛行器發(fā)展的新趨勢(shì)。 當(dāng)前， 各軍事強(qiáng)國(guó)普遍認(rèn)為無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)將是未來顛覆性的作戰(zhàn)樣式， 也是通信、 網(wǎng)絡(luò)、 控制和機(jī)器人等學(xué)科重要的研究方向。

1 飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中， 遙控器作為上位機(jī)，12864OLED顯示模塊、 參數(shù)、 搖桿和旋轉(zhuǎn)編碼器模塊， 使用CC2541 藍(lán)牙模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸通信， 旋轉(zhuǎn)編碼器在控制中作為油門控制， 方向桿可用于控制無(wú)人機(jī)前后左右飛行， 下位機(jī)為四旋翼無(wú)人機(jī)， 采用四個(gè)空心杯電機(jī)作為動(dòng)力源， 六個(gè)LED作為人機(jī)交互信號(hào)源 （其中四個(gè)位于近電機(jī)處）， 使用6 軸姿態(tài)傳感器MPU-6500 采集無(wú)人機(jī)姿態(tài)信息， CC2541 藍(lán)牙模塊與遙控器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸通信， 采用STM32F373CCT6作為MCU處理器。

2 起飛控制過程

無(wú)人機(jī)起飛和普通飛機(jī)相同， 升空之前要先在跑道中滑行， 在滑行到起飛點(diǎn)之后加速滑跑， 提升了滑動(dòng)速度之后， 前輪離地并且呈現(xiàn)飛迎角， 指導(dǎo)無(wú)人機(jī)能夠完全地脫離地面。 無(wú)人機(jī)基于發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力作用而在滑行之后起飛， 并且在無(wú)人機(jī)的起飛過程中， 滑跑糾偏管控具有極為關(guān)鍵的作用， 可是因?yàn)闊o(wú)人機(jī)自身結(jié)構(gòu)存在不對(duì)稱， 同時(shí)因?yàn)轱L(fēng)向、 氣流等諸多因素的影響， 無(wú)人機(jī)滑跑中極易產(chǎn)生偏離跑道的狀況， 并且為了規(guī)避飛行事故的產(chǎn)生， 要求對(duì)滑跑進(jìn)行糾偏操作， 以此來保證起飛的安全性， 在無(wú)人機(jī)滑跑糾偏管控方面的研究不夠全面， 基于對(duì)前輪轉(zhuǎn)彎的管控方式收效不佳， 因此在對(duì)無(wú)人機(jī)起飛管控相關(guān)技術(shù)的探究中， 一定要強(qiáng)化提升滑跑糾偏方面的有效管控。

2.1 智能干擾下無(wú)人機(jī)協(xié)同傳輸技術(shù)

抗智能干擾方面， 無(wú)人機(jī)具有機(jī)動(dòng)性、 智能性以及軌跡可控等特點(diǎn)， 為無(wú)人機(jī)協(xié)同傳輸增加了可利用和可優(yōu)化的動(dòng)態(tài)資源。 “機(jī)動(dòng)性” 使得無(wú)人機(jī)可以進(jìn)行位置部署優(yōu)化和移動(dòng)中繼選擇最大化用戶的通信能力； “智能性” 使無(wú)人機(jī)可以智能調(diào)整協(xié)同方式、 友好干擾功率大小和其他可優(yōu)化的策略來最大化對(duì)智能攻擊者的對(duì)抗； “軌跡可控” 使得無(wú)人機(jī)可以通過調(diào)整其飛行軌跡對(duì)抗智能攻擊者位置隱蔽性和移動(dòng)性帶來的傷害， 提升用戶在未知攻擊位置下的穩(wěn)健通信能力。 智能干擾下， 干擾者通?？梢酝ㄟ^自適應(yīng)地調(diào)整其干擾功率和干擾信道來最大化其對(duì)合法用戶正常通信的破壞。 合法用戶也可以通過功率控制和信道分配等策略來對(duì)抗智能干擾者。 此外， 友好干擾和協(xié)同中繼等協(xié)作節(jié)點(diǎn)的引入能進(jìn)一步增強(qiáng)合法用戶的抗智能干擾能力。 由于智能干擾者和合法用戶是完全對(duì)立且非合作的， 因此很難獲取其干擾策略和位置信息等。為了對(duì)抗這種可以采用不同干擾策略的智能攻擊者，合法用戶可以借助博弈論建模它們之間的對(duì)抗關(guān)系，并通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法獲取最佳的功率分配和信道接入等對(duì)抗策略。

2.2 雙機(jī)協(xié)同位姿追蹤仿真

當(dāng)雙機(jī)進(jìn)行協(xié)同搬運(yùn)任務(wù)時(shí)， 通過仿真結(jié)果驗(yàn)證控制策略的有效性以及控制器的控制性能。 考慮主機(jī)以及負(fù)載運(yùn)動(dòng)對(duì)從機(jī)的影響， 并根據(jù)選取的連接關(guān)節(jié)， 假定負(fù)載對(duì)從機(jī)的力作用于從機(jī)的質(zhì)心.若沒有外力作用， 則前述控制方案簡(jiǎn)化為底層的位置姿態(tài)控制器， 但是由于系統(tǒng)內(nèi)外的干擾， 會(huì)導(dǎo)致估計(jì)的力不為零， 所以對(duì)于導(dǎo)納控制器設(shè)計(jì)一個(gè)控制 “開關(guān)”，只有當(dāng)估計(jì)的力高于某一閾值時(shí)， 導(dǎo)納控制器啟動(dòng)，反之， 對(duì)于較小的力， 導(dǎo)納控制器不啟動(dòng)。

2.3 姿態(tài)信息反饋調(diào)整

引入負(fù)反饋使系統(tǒng)工作穩(wěn)定， 通過陀螺儀將無(wú)人機(jī)的當(dāng)前姿態(tài)信息 （姿態(tài)角） 反饋到單片機(jī)中， 再與設(shè)定的參照姿態(tài)進(jìn)行對(duì)比， 根據(jù)姿態(tài)角偏差調(diào)整輸出的PWM， 使無(wú)人機(jī)處于動(dòng)態(tài)平衡平穩(wěn)飛行。 無(wú)人機(jī)參照姿態(tài)角使用的是三維地理參照系， 地理坐標(biāo)系滿足右手定律。 每一個(gè)物體也可以定義一個(gè)機(jī)體坐標(biāo)系， 當(dāng)飛機(jī)機(jī)頭朝正北方向， 機(jī)身垂直于天空時(shí)， 機(jī)體坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系重合， 此時(shí)角度差為0， 其他時(shí)刻會(huì)存在角度差， 無(wú)人機(jī)的姿態(tài)控制實(shí)質(zhì)上就是保持旋轉(zhuǎn)之后的機(jī)體坐標(biāo)系的與地理坐標(biāo)系的角度差。MPU6500 采集到的實(shí)際上是X、 Y、 Z軸方向的加速度與 YAWING、 PITCHING、 ROLLING三個(gè)角速度，將獲取到的角速度轉(zhuǎn)變成角度信息還需要根據(jù)角度是角速度的積分這一關(guān)系進(jìn)一步計(jì)算。 在本次設(shè)計(jì)中主要采用了歐拉角和四元數(shù)求解法。

3 無(wú)人機(jī)的降落

實(shí)際上， 無(wú)人機(jī)和普通飛機(jī)降落的方式相同， 也就是說無(wú)人機(jī)在準(zhǔn)備降落的時(shí)候， 先需要在一定高度中平飛， 平飛一定時(shí)間后下滑， 高度隨之下降， 指導(dǎo)和地面接觸后， 無(wú)人機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)不再繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。 無(wú)人機(jī)實(shí)際降落的過程， 一般可劃分為： 1） 進(jìn)場(chǎng)。 這個(gè)過程是無(wú)人機(jī)準(zhǔn)備降落的時(shí)期， 預(yù)降落無(wú)人機(jī)會(huì)持續(xù)一定的飛行高度、 速度， 并且將其調(diào)整到要求的范圍內(nèi)； 2） 軌跡捕獲。 在軌跡捕獲期間， 無(wú)人機(jī)和跑道還存在一定距離， 但是， 已經(jīng)開始打開了下滑窗口，開始為下滑操作做準(zhǔn)備了； 3） 下滑。 下滑期間， 無(wú)人機(jī)順著直線下滑， 而下滑的速度和姿態(tài)是不變的；4） 拉平。 無(wú)人機(jī)在下滑的同時(shí)， 高度也隨之下降，基本上是處于拉平飄落的狀態(tài)， 這時(shí)會(huì)形成迎角， 并且確保后輪著地， 之后再對(duì)下滑速度進(jìn)行降低； 5）地面滑行。 無(wú)人機(jī)著陸后要確保一定時(shí)間內(nèi)的地面滑行， 滑行了一段距離后才能完全停止運(yùn)行。

3.1 智能干擾下的無(wú)人機(jī)協(xié)同傳輸中的單跳移動(dòng)中繼優(yōu)選

考慮攻擊者工作在智能干擾模式下， 可以通過調(diào)整干擾功率等策略降低無(wú)人機(jī)用戶的傳輸速率。 在無(wú)人機(jī)的飛行軌跡是預(yù)定且已知的情況下， 擬將無(wú)人機(jī)動(dòng)過程中的移動(dòng)中繼節(jié)點(diǎn)選擇問題建模為動(dòng)態(tài)斯坦伯格博弈， 研究分布式、 快速的無(wú)人機(jī)單跳中繼選擇策略。 根據(jù)預(yù)知的飛行軌跡指導(dǎo)中繼節(jié)點(diǎn)選擇決策， 充分利用無(wú)人機(jī)飛行過程中所帶來的中繼傳輸機(jī)會(huì)， 協(xié)助增強(qiáng)智能干擾下的無(wú)人機(jī)用戶的通信能力。

3.2 四旋翼無(wú)人機(jī)棲停軌跡設(shè)計(jì)方法

棲停軌跡設(shè)計(jì)是要在滿足軌跡約束的前提下獲得動(dòng)力學(xué)可行的飛行軌跡。 目的在于為跟蹤控制算法提供一個(gè)可行的且滿足運(yùn)動(dòng)約束的參考輸入， 使無(wú)人機(jī)在控制算法引導(dǎo)下， 始終圍繞該預(yù)設(shè)軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。 本文提出采用 “開環(huán)軌跡+起始點(diǎn)裝配” 的思想來設(shè)計(jì)軌跡， 所獲得軌跡為動(dòng)力學(xué)可行但并非最優(yōu)。但是規(guī)劃軌跡是動(dòng)力學(xué)可行的且滿足棲停運(yùn)動(dòng)約束，具有計(jì)算高效的優(yōu)勢(shì)。 無(wú)人機(jī)縱向運(yùn)動(dòng)的加速度僅由俯仰角和推力總和兩個(gè)因素決定， 因此， 開環(huán)軌跡可根據(jù)運(yùn)動(dòng)約束對(duì)俯仰角與推力總和的時(shí)序曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)， 從而獲得開環(huán)運(yùn)動(dòng)軌跡。 第二步， 根據(jù)棲停時(shí)刻的約束以及開環(huán)運(yùn)動(dòng)軌跡， 求解軌跡起始時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)， 將無(wú)人機(jī)起始點(diǎn)在此位置進(jìn)行裝配， 建立全過程運(yùn)動(dòng)軌跡。

3.3 人機(jī)協(xié)同技術(shù)

在有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)C2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中， 需要提供一定技術(shù)手段， 采用人機(jī)協(xié)同技術(shù)， 實(shí)現(xiàn)人機(jī)智能融合.對(duì)敵方目標(biāo)攻擊行動(dòng)為例下的人機(jī)協(xié)同架構(gòu).該架構(gòu)中， 無(wú)人機(jī)層面主要進(jìn)行信息匯聚和決策推理， 信息匯聚是對(duì)本地狀態(tài)信息、 外部環(huán)境信息和攻擊目標(biāo)信息進(jìn)行收集和處理； 決策推理是基于各類信息進(jìn)行態(tài)勢(shì)推理， 主要包括攻擊優(yōu)勢(shì)評(píng)估和威脅程度評(píng)估， 并生成最終自主攻擊決策結(jié)果； 有人機(jī)層面是指揮員在智能輔助決策分系統(tǒng)輔助決策下， 實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的監(jiān)督控制.通過無(wú)人機(jī)自主決策和有人機(jī) （指揮員） 監(jiān)督控制， 實(shí)現(xiàn)人機(jī)決策交互.由于人機(jī)決策優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)的不同， 要求人機(jī)采用不同的決策機(jī)制.在對(duì)敵方作戰(zhàn)目標(biāo)攻擊過程中， 無(wú)人機(jī)主要采用推理（如混合模糊認(rèn)知圖） 方法， 進(jìn)行目標(biāo)攻擊自主決策，包括武器檢測(cè)和態(tài)勢(shì)估計(jì)2 個(gè)模塊

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述， 雖然無(wú)人機(jī)實(shí)際應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)非常顯著， 特別是應(yīng)用于軍事、 農(nóng)業(yè)、 科研、 測(cè)繪等領(lǐng)域中。 可是， 在實(shí)際應(yīng)用中能夠獲悉， 無(wú)人機(jī)起飛、 降落管控技術(shù)中依然有很多問題， 要求相關(guān)工作者基于實(shí)際問題進(jìn)行合理深入研究與設(shè)計(jì)， 積極應(yīng)用現(xiàn)代化技術(shù)手段， 強(qiáng)化提升無(wú)人機(jī)實(shí)際起飛、 降落操作中的自動(dòng)化， 基于此讓無(wú)人機(jī)對(duì)現(xiàn)代人訴求進(jìn)行有效滿足， 降低外界因素產(chǎn)生的制約影響。