無人機(jī)集群編隊(duì)控制演示驗(yàn)證系統(tǒng)

朱創(chuàng)創(chuàng)， 梁曉龍， 張佳強(qiáng)， 何呂龍， 劉流

(空軍工程大學(xué) 空管領(lǐng)航學(xué)院， 西安 710051)

無人機(jī)是一種可搭載多種設(shè)備和裝置并能重復(fù)使用的無人駕駛飛行器。其具有體積小、質(zhì)量輕、機(jī)動性高、隱蔽性強(qiáng)、造價(jià)低和無人員傷亡等特點(diǎn)。隨著無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)張，使用要求的不斷提高以及單架無人機(jī)在載荷、續(xù)航等方面局限性的凸顯，無人機(jī)的應(yīng)用樣式逐步從單平臺向多平臺“集群”方向發(fā)展[1-2]。無人機(jī)集群與單無人機(jī)相比而言，能以更快、更可靠、更低廉的代價(jià)和更優(yōu)良的性能來完成那些由單體無人機(jī)很難完成甚至是不可能完成的復(fù)雜任務(wù)。因此，編隊(duì)飛行作為無人機(jī)集群執(zhí)行任務(wù)的基礎(chǔ)和基本形式成為了研究熱點(diǎn)。

目前多無人機(jī)編隊(duì)飛行理論方面取得了豐碩成果，除了傳統(tǒng)的領(lǐng)導(dǎo)-跟隨法、虛擬結(jié)構(gòu)法、人工勢場法和基于行為法之外，基于一致性的編隊(duì)控制方法也吸引了研究者的目光，以上方法各有優(yōu)缺點(diǎn)[3-4]，學(xué)者對以上方法做了很多改進(jìn)。如文獻(xiàn)[5]提出了一種基于誘導(dǎo)航線的協(xié)同控制方法，實(shí)現(xiàn)了編隊(duì)保持、避障和避碰；文獻(xiàn)[6]提出了虛擬結(jié)構(gòu)、領(lǐng)導(dǎo)-跟隨及基于行為法相結(jié)合的方法，提高了機(jī)間通信的可靠性；文獻(xiàn)[7]基于雙模模型預(yù)測控制(Model Predictive Control,MPC)方法設(shè)計(jì)了領(lǐng)導(dǎo)-跟隨的控制律。當(dāng)前對無人機(jī)集群編隊(duì)控制的研究，通常是建立理想的模型，然后進(jìn)行地面仿真，也有少數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。如文獻(xiàn)[8]將基于虛擬結(jié)構(gòu)控制方法在四旋翼無人機(jī)上做了一系列實(shí)驗(yàn)；文獻(xiàn)[9-10]將領(lǐng)導(dǎo)-跟隨協(xié)同編隊(duì)控制算法應(yīng)用到固定翼無人機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)；文獻(xiàn)[11]在四旋翼無人機(jī)上驗(yàn)證了基于一致性的時(shí)變編隊(duì)控制理論。通過對現(xiàn)階段研究現(xiàn)狀梳理可以看出，無人機(jī)集群編隊(duì)控制理論研究已經(jīng)取得了豐碩的成果，但進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的較少[12]；已經(jīng)用于驗(yàn)證的系統(tǒng)多為集中式控制，采用分布式實(shí)時(shí)控制的較少。而且以上實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)只能控制單一類型的無人機(jī)平臺，而實(shí)際無人機(jī)集群通常包含不同功能、種類的無人機(jī)平臺，因此這些實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)存在對不同類型無人機(jī)平臺的可移植性差、擴(kuò)展性不足以及通用性不高的問題。

為了將無人機(jī)集群編隊(duì)控制理論更好地應(yīng)用到實(shí)踐中，本文搭建了無人機(jī)集群編隊(duì)控制演示驗(yàn)證系統(tǒng)。首先，采用封裝和分層控制的思想，設(shè)計(jì)了無人機(jī)控制系統(tǒng)，將無人機(jī)控制系統(tǒng)分為決策層和執(zhí)行層，決策層執(zhí)行編隊(duì)控制算法，執(zhí)行層根據(jù)決策層或地面站的指令控制無人機(jī)運(yùn)動，使得系統(tǒng)具備擴(kuò)展性強(qiáng)，通用性好的特點(diǎn)。其次，為保證系統(tǒng)的可靠性和安全性，利用冗余設(shè)計(jì)的思想，采用兩套地面站和數(shù)據(jù)鏈，分別用于控制算法的演示驗(yàn)證和應(yīng)急處置，保證了系統(tǒng)的功能完備性和安全性。最后，以四旋翼無人機(jī)作為無人機(jī)平臺，對領(lǐng)導(dǎo)-跟隨協(xié)同編隊(duì)控制算法進(jìn)行了飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)功能的可用性和可靠性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與搭建

無人機(jī)集群編隊(duì)控制演示驗(yàn)證系統(tǒng)可以在戶外環(huán)境下演示無人機(jī)集群運(yùn)動過程，驗(yàn)證編隊(duì)控制算法的有效性。系統(tǒng)可獲取集群在預(yù)設(shè)控制方法下的運(yùn)動狀態(tài)，并可對試驗(yàn)過程中的飛行、通信、傳感器信息進(jìn)行有效監(jiān)管、指揮和控制。試驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存，通過分析可以得出無人機(jī)集群編隊(duì)控制方法的運(yùn)行效果。

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

無人機(jī)集群編隊(duì)控制演示驗(yàn)證系統(tǒng)由無人機(jī)平臺、地面站和數(shù)據(jù)鏈共同組成。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對異構(gòu)無人機(jī)集群的控制，增強(qiáng)系統(tǒng)的擴(kuò)展性和通用性，利用封裝和分層控制的思想將無人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為決策層與執(zhí)行層，執(zhí)行層對無人機(jī)平臺的姿態(tài)、速度、位置進(jìn)行控制，決策層運(yùn)行編隊(duì)控制算法，用于控制無人機(jī)的行為。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，利用冗余設(shè)計(jì)的思想，采用雙數(shù)據(jù)鏈、雙地面站的模式，兩套數(shù)據(jù)鏈和地面站獨(dú)立運(yùn)行。為了避免編隊(duì)控制算法不成熟帶來的風(fēng)險(xiǎn)，地面站2直接對無人機(jī)平臺執(zhí)行層進(jìn)行控制，且其控制指令優(yōu)先級高于地面站1，起到了應(yīng)急處置的作用。

系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，圖中箭頭表示信息流向，演示驗(yàn)證系統(tǒng)分為任務(wù)層、決策層和執(zhí)行層。任務(wù)層的輸入信息由演示任務(wù)的類型決定，可根據(jù)不同的演示驗(yàn)證任務(wù)需求，生成對應(yīng)的任務(wù)指令發(fā)送至決策層，其功能由地面站實(shí)現(xiàn)。決策層根據(jù)任務(wù)指令、環(huán)境及自身和相鄰個(gè)體的位置、速度等狀態(tài)信息，進(jìn)行分布式自主決策，生成通用的控制指令發(fā)送給執(zhí)行層，其功能由無人機(jī)機(jī)載計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。執(zhí)行層根據(jù)決策層生成的控制指令，對無人機(jī)平臺的傳感器及運(yùn)動行為進(jìn)行控制，驅(qū)動無人機(jī)達(dá)到期望狀態(tài)，并將執(zhí)行結(jié)果回傳給決策層，其功能由無人機(jī)底層飛行控制器實(shí)現(xiàn)。無人機(jī)之間以及地面站1與無人機(jī)之間通過數(shù)據(jù)鏈1(自組網(wǎng)通信)實(shí)現(xiàn)信息交互，通過調(diào)整地面站1發(fā)送不同的控制指令，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)集中式、分布式和混合式3種控制方式，可以對集群不同的通信拓?fù)溥M(jìn)行演示驗(yàn)證。地面站2通過數(shù)據(jù)鏈2直接對無人機(jī)平臺執(zhí)行層進(jìn)行控制，用于試驗(yàn)開始前的狀態(tài)設(shè)置、試驗(yàn)過程中的應(yīng)急處理、試驗(yàn)結(jié)束后的平臺回收，可以確保演示驗(yàn)證過程中具有較高的安全性。系統(tǒng)采用GPS定位模塊為無人機(jī)平臺提供實(shí)時(shí)定位導(dǎo)航服務(wù)，定位模塊通過串口通信與無人機(jī)平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

1.2 無人機(jī)控制系統(tǒng)

集群系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性，能夠兼容不同類型的無人機(jī)平臺，同時(shí)具有分布式控制的特點(diǎn)，這就要求無人機(jī)控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠?qū)Σ煌愋偷臒o人機(jī)進(jìn)行有效控制，并實(shí)現(xiàn)對不同的分布式編隊(duì)控制方法進(jìn)行驗(yàn)證。本設(shè)計(jì)受智能體結(jié)構(gòu)模型的啟發(fā)[13]，采用分層控制[14-15]和封裝的思想[16]，將無人機(jī)控制系統(tǒng)分為決策層和執(zhí)行層分別進(jìn)行設(shè)計(jì)和封裝，如圖2所示。

決策層負(fù)責(zé)編隊(duì)算法和無線組網(wǎng)通信等應(yīng)用程序的處理，生成位置、速度等通用的決策信息，并通過串口發(fā)送給執(zhí)行層。為保證無人機(jī)有充足的時(shí)間更新鄰居個(gè)體的速度、位置等狀態(tài)信息，同時(shí)節(jié)約處理器計(jì)算資源，決策層的計(jì)算頻率不大于鄰居無人機(jī)廣播自身狀態(tài)信息的頻率。根據(jù)收到的決策信息，執(zhí)行層負(fù)責(zé)無人機(jī)平臺的姿態(tài)穩(wěn)定以及驅(qū)動無人機(jī)達(dá)到期望狀態(tài)，并將無人機(jī)運(yùn)動參數(shù)實(shí)時(shí)存儲到內(nèi)置在執(zhí)行層的SD卡中，以便試驗(yàn)后對飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。執(zhí)行層將飛行數(shù)據(jù)回傳給決策層的同時(shí)也經(jīng)數(shù)傳傳輸給地面站2，實(shí)現(xiàn)對集群運(yùn)動狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。自組網(wǎng)模塊組建Mesh網(wǎng)絡(luò)，和執(zhí)行層有雙向的數(shù)據(jù)流傳輸。整個(gè)系統(tǒng)采用分布式的編隊(duì)控制方法，各無人機(jī)平臺并行運(yùn)行程序，執(zhí)行相同的軟件流程，控制系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。

由于無人機(jī)控制系統(tǒng)的決策層需要較大的計(jì)算量和較高的實(shí)時(shí)性，對處理器的性能有較高的要求。本設(shè)計(jì)選用基于ARM Cortex-M4核心的STM32F4系列微處理器，該處理器具有功耗較低、處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，滿足了試驗(yàn)要求。執(zhí)行層選擇開源的PIX自駕儀，PIX自駕儀是一種成熟可靠的無人載具控制器，可以控制多種類型的無人載具，如固定翼無人機(jī)、四旋翼無人機(jī)等。決策層的STM32F4和執(zhí)行層的PIX通過基于Mavlink協(xié)議的串口實(shí)現(xiàn)信息交互。

通過分層控制，決策層可根據(jù)不同的試驗(yàn)需求，植入各類編隊(duì)控制方法，使系統(tǒng)具有了較強(qiáng)的適應(yīng)性和擴(kuò)展性。執(zhí)行層選擇開源PIX自駕儀，搭建穩(wěn)定的無人機(jī)平臺，減少了程序移植工作量，提高了代碼的可重用性，可以有效縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期，并能夠?qū)⒃囼?yàn)重點(diǎn)放在決策層的編隊(duì)算法開發(fā)上。通過PIX自駕儀將不同類型的無人載具封裝為無人機(jī)對象，封裝之后在對異構(gòu)無人機(jī)進(jìn)行控制時(shí)，只需調(diào)整自駕儀參數(shù)，不再需要根據(jù)不同類型的無人機(jī)特殊性能針對性的開發(fā)相應(yīng)的控制策略，也就是決策層只需生成通用的位置、速度和傳感器開關(guān)等控制指令，即可實(shí)現(xiàn)異構(gòu)無人機(jī)平臺的分布式協(xié)同控制。系統(tǒng)有效地解決了無人機(jī)平臺硬件異構(gòu)的差異，具備了控制異構(gòu)集群的能力。

1.3 地 面 站

地面站是演示驗(yàn)證系統(tǒng)的指揮控制中心，可以對無人機(jī)平臺各種運(yùn)動數(shù)據(jù)和傳感器參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠?qū)o人機(jī)下達(dá)特定指令，如任務(wù)開始、中斷、繼續(xù)和結(jié)束等。地面站還需要對多無人機(jī)平臺狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和控制，同時(shí)對傳感器進(jìn)行故障診斷和應(yīng)急處理。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和安全性，采用冗余思想，設(shè)計(jì)了兩套地面站，分別由一臺筆記本電腦(CPU:i5 內(nèi)存：4G)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送設(shè)備組成。

地面站1采用雙串口通信，串口1負(fù)責(zé)將控制指令通過數(shù)據(jù)鏈1發(fā)送給指定無人機(jī)或者進(jìn)行廣播。根據(jù)不同試驗(yàn)?zāi)康?，這里的控制指令既可以是中心解算生成的位置、速度指令，也可以是調(diào)用封裝在協(xié)同控制器中的控制算法指令；串口2負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)接收無人機(jī)廣播的飛行數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)存儲，也可通過MATLAB進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，顯示無人機(jī)的位置、速度等運(yùn)動狀態(tài)，觀察運(yùn)行的效果是否與期望的一致。

地面站2運(yùn)行Mission planner 1.3.32和Qgroundcontrol 3.1.0兩個(gè)無人機(jī)控制軟件。Mission planner主要用來試驗(yàn)前無人機(jī)參數(shù)的設(shè)置，包括最大速度、加速度和低電壓保護(hù)等，如圖4(a)所示。Qgroundcontrol用來控制多個(gè)無人機(jī)，同時(shí)觀察數(shù)據(jù)鏈2傳回的無人機(jī)狀態(tài)信息，包括電壓、電流和速度等，以對各無人機(jī)傳感器參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。但試驗(yàn)過程中Qgroundcontrol只能對無人機(jī)逐一控制，當(dāng)無人機(jī)增多時(shí)，可操行性將會降低。因此，對原Qgroundcontrol軟件進(jìn)行了二次開發(fā)，增加了一鍵同時(shí)動作、同時(shí)返回功能，開發(fā)后軟件界面如圖4(b)所示。開發(fā)后可同時(shí)控制多個(gè)無人機(jī)動作，減少了試驗(yàn)人員的操作步驟，使系統(tǒng)操作更簡單，降低了對試驗(yàn)人員的技能要求，使系統(tǒng)更實(shí)用。例如在演示驗(yàn)證無人機(jī)集群的控制算法時(shí)，通過Qgroundcontrol，地面站2可控制無人機(jī)集群同時(shí)起飛，試驗(yàn)結(jié)束后可以將無人機(jī)同時(shí)收回。

1.4 數(shù) 據(jù) 鏈

在搭建演示驗(yàn)證系統(tǒng)時(shí)，地面站與無人機(jī)以及無人機(jī)之間通信是關(guān)鍵。飛行試驗(yàn)要在戶外環(huán)境中進(jìn)行，無人機(jī)運(yùn)動空間范圍廣、動態(tài)性高，為防止試驗(yàn)過程中無人機(jī)失控、高速、可靠的無線通信是關(guān)鍵；同時(shí)，在組網(wǎng)方式上需要建立一個(gè)去中心化的分布式對等通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)平臺之間雙向數(shù)據(jù)通信，以交換彼此的位置和速度等狀態(tài)信息，進(jìn)而完成分布式解算，因此對數(shù)據(jù)鏈通信移動和可靠性要求很高?；谝陨闲枨?，采用雙數(shù)據(jù)鏈的通信模式(見圖1)。

數(shù)據(jù)鏈1采用基于Mesh組網(wǎng)技術(shù)開發(fā)的YL-800模塊，頻率為433 MHz，如圖5(a)所示。YL-800是基于Sx1278無線方案的Mesh自組網(wǎng)無線模塊，具有優(yōu)異的網(wǎng)絡(luò)自愈性、穩(wěn)定性、擴(kuò)展性和魯棒性，同時(shí)該模塊功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)、移動性強(qiáng)等，能夠?qū)崿F(xiàn)各平臺之間高速雙向通信，可滿足戶外試驗(yàn)分布式組網(wǎng)通信的要求。由于MATLAB程序中的串口模塊通信速率受到限制，無法滿足地面站對無人機(jī)的高速實(shí)時(shí)控制要求，為了保證高速的傳輸速率，設(shè)計(jì)了指令發(fā)射機(jī)用來高速實(shí)時(shí)的向無人機(jī)集群發(fā)送控制指令。指令發(fā)射機(jī)是由STM32F4和自組網(wǎng)模塊構(gòu)成，信號發(fā)射頻率設(shè)置為2 Hz。數(shù)據(jù)鏈2由CUAV Supter radio數(shù)傳搭建，如圖5(b)所示。該數(shù)傳使用工業(yè)級別USB轉(zhuǎn)TTL，頻率為915 MHz。該數(shù)傳和PIX自駕儀配合使用，其安全性、穩(wěn)定性和可靠性已經(jīng)得到業(yè)界的認(rèn)可，并被廣泛應(yīng)用于無人機(jī)通信上，因此本系統(tǒng)選擇該數(shù)傳來搭建數(shù)據(jù)鏈2。

2 領(lǐng)導(dǎo)-跟隨協(xié)同編隊(duì)控制算法

領(lǐng)導(dǎo)-跟隨協(xié)同編隊(duì)控制算法，是指在集群系統(tǒng)中設(shè)立領(lǐng)導(dǎo)者/虛擬領(lǐng)導(dǎo)者角色，通過領(lǐng)導(dǎo)者作用達(dá)到對集群系統(tǒng)控制的目的。設(shè)N個(gè)無人機(jī)組成的集群系統(tǒng)，由部分已知全局航跡信息的領(lǐng)導(dǎo)者和未知航跡信息的跟隨者組成。期望的全局航跡信息表示為

(1)

式中：pd、vd和ud分別為無人機(jī)的期望位置、速度和控制輸入。

假設(shè)航跡信息二階連續(xù)可微且集群中部分個(gè)體已知航跡信息，將集群中個(gè)體的動力學(xué)方程描述如下：

(2)

式中：pi∈Rn和vi∈Rn分別為第i個(gè)跟隨者的位置向量和速度向量；ui∈Rn為第i個(gè)無人機(jī)的控制輸入；hi為事件觸發(fā)變量，當(dāng)無人機(jī)i能夠獲取全局信息，即為集群領(lǐng)導(dǎo)者時(shí)，hi=1，否則hi=0。在式(2)的基礎(chǔ)上采用文獻(xiàn)[17]設(shè)計(jì)的分布式控制協(xié)議：

(3)

第1項(xiàng)fpi為勢函數(shù)梯度項(xiàng)，可使集群在實(shí)現(xiàn)位置一致性的同時(shí)避免相撞。

(4)

式中：vE和vN分別表示向東和向北的速度分量，t≥0為時(shí)間。

由于文獻(xiàn)[17]已經(jīng)給出了魯棒性、穩(wěn)定性和收斂性等證明過程，本文不再描述。

實(shí)際中每個(gè)無人機(jī)的運(yùn)動速度和加速度都應(yīng)在合理的范圍內(nèi)，本文將每個(gè)無人機(jī)的最大速度vmax設(shè)計(jì)為3 m/s，最大加速度amax設(shè)計(jì)為3 m/s2。由于GPS定位精度在2 m以內(nèi)，因此無人機(jī)之間的編隊(duì)間距應(yīng)大于4 m。試驗(yàn)中其余相關(guān)參數(shù)取值如表1所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)取值

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

四旋翼無人機(jī)作為一種特殊構(gòu)型的飛行器，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉和低速巡航垂直起降等特殊的飛行性能，被認(rèn)為是軍事和民用中某些場合的最理想飛行器。為驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，本文搭建了四旋翼無人機(jī)作為無人機(jī)平臺，系統(tǒng)實(shí)物如圖6所示。

試驗(yàn)采用3架四旋翼無人機(jī)，其中一架作為已知期望航跡信息的領(lǐng)導(dǎo)者，另外2架作為跟隨者，圖7為3架無人機(jī)的通信拓?fù)鋱D。試驗(yàn)的目標(biāo)是利用領(lǐng)導(dǎo)-跟隨協(xié)同編隊(duì)控制算法實(shí)現(xiàn)跟隨者對領(lǐng)導(dǎo)者速度、位置的跟蹤。由于該算法理論研究較成熟，地面仿真后，直接將算法移植到無人機(jī)的協(xié)同控制器上。

試驗(yàn)流程如圖8所示，具體描述如下：

步驟1地面站2通過數(shù)據(jù)鏈2控制3架無人機(jī)起飛，高度在20 m處保持懸停。

步驟2地面站1通過數(shù)據(jù)鏈1將任務(wù)指令信息發(fā)送給無人機(jī)。指定一架為領(lǐng)導(dǎo)者，作圓周運(yùn)動，其余2架為跟隨者。

步驟3無人機(jī)通過數(shù)據(jù)鏈1以2 Hz頻率廣播自身位置、速度信息，跟隨者在接收到其他個(gè)體的狀態(tài)信息后，由協(xié)同控制器以相同頻率計(jì)算出下一時(shí)刻的期望速度信息，并由執(zhí)行層完成。

步驟4地面站2觀察無人機(jī)在飛行過程中傳感器參數(shù)是否在合理范圍內(nèi)，判斷是否有不符合繼續(xù)演示條件的無人機(jī)，如果有則發(fā)送返回指令將無人機(jī)收回。

步驟5地面站1將返回的無人機(jī)狀態(tài)信息進(jìn)行處理，判斷是否滿足設(shè)定的結(jié)束規(guī)則，如果不滿足則繼續(xù)飛行，滿足將無人機(jī)收回。

圖9為不同時(shí)刻試驗(yàn)視頻截圖。試驗(yàn)結(jié)束后，將PIX中的SD卡取出進(jìn)行飛行數(shù)據(jù)分析，圖10為3架無人機(jī)飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線。

圖10(a)為跟隨者對領(lǐng)導(dǎo)者的位置跟蹤軌跡，圖中正方形表示飛行起點(diǎn)，圓圈表示飛行終點(diǎn)。通過圖10(a)可以看到，跟隨者對領(lǐng)導(dǎo)者實(shí)現(xiàn)了位置跟蹤。圖10(b)、(c)分別為西東方向，南北方向跟隨者對領(lǐng)導(dǎo)者的速度跟蹤曲線。通過速度跟蹤曲線發(fā)現(xiàn)，跟隨者總體實(shí)現(xiàn)了對領(lǐng)導(dǎo)者的速度跟蹤。通過圖10(d)跟隨者相對于領(lǐng)導(dǎo)者的位置差可以看出，3架無人機(jī)逐漸穩(wěn)定在期望的相對距離4.9 m。

通過飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線可以認(rèn)為跟隨者實(shí)現(xiàn)了對領(lǐng)導(dǎo)者的位置和速度跟蹤并形成期望的構(gòu)型。但跟蹤時(shí)跟隨者速度存在振蕩以及跟蹤距離存在一定的誤差，造成上述誤差和速度振蕩的原因可分為2類：一是系統(tǒng)原因，二是算法原因。系統(tǒng)原因包括：系統(tǒng)傳感器本身存在誤差，如GPS定位精度等；同時(shí)會存在通信時(shí)延、數(shù)據(jù)丟包、傳感器更新延遲和數(shù)據(jù)處理時(shí)延的問題。算法原因包括：算法本身設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮實(shí)際個(gè)體的動力學(xué)約束，如無人機(jī)的慣性等；同時(shí)勢函數(shù)本身容易產(chǎn)生振蕩，造成了個(gè)體在運(yùn)動過程中速度振蕩更加明顯。針對上述問題，可以通過以下方式減小誤差：系統(tǒng)方面可以選用差分GPS定位的方式以提高系統(tǒng)定位精度并提高系統(tǒng)采樣周期；建立無人機(jī)個(gè)體模型時(shí)考慮無人機(jī)慣性、通信時(shí)延、以及一般環(huán)境噪聲等實(shí)際約束。

上述試驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可滿足對編隊(duì)控制算法的演示驗(yàn)證，同時(shí)也證明了算法中勢函數(shù)法本身存在振蕩、不易形成穩(wěn)定構(gòu)型等特點(diǎn)。

4 結(jié) 論

本文搭建了無人機(jī)集群編隊(duì)控制演示驗(yàn)證系統(tǒng)，并對領(lǐng)導(dǎo)-跟隨協(xié)同編隊(duì)控制算法進(jìn)行了驗(yàn)證，運(yùn)行結(jié)果表明：

1) 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可對不同的分布式編隊(duì)控制算法進(jìn)行有效驗(yàn)證。

2) 系統(tǒng)存在一定誤差，但在允許范圍之內(nèi)。

3) 系統(tǒng)可以縮短算法開發(fā)周期，加快算法到實(shí)際的應(yīng)用。

隨著任務(wù)的多種多樣，異構(gòu)集群協(xié)同控制將會成為未來發(fā)展趨勢。同時(shí)，通信環(huán)境會異常復(fù)雜，感知約束也會隨環(huán)境的復(fù)雜而增大，這就需要開展在復(fù)雜通信環(huán)境下的強(qiáng)魯棒、高精度無人機(jī)集群編隊(duì)控制的試驗(yàn)研究，這對試驗(yàn)系統(tǒng)提出了更高的要求。因此，下一步工作將是進(jìn)一步提高系統(tǒng)的定位精度和可靠性，并利用搭建的系統(tǒng)對不同環(huán)境約束下異構(gòu)無人機(jī)集群編隊(duì)控制技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證研究。