基于分布式人工勢場算法的無人機集群系統(tǒng)機間規(guī)避控制

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集群系統(tǒng)機間規(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。針對集群無人機的機間規(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)以及實驗進(jìn)行佐證。該方法在集群的基礎(chǔ)上，定義了無人機自身產(chǎn)生的斥力勢場和引力勢場來實現(xiàn)機間防撞；利用分布式思想，通過中央操控系統(tǒng)對多架無人機進(jìn)行分組，使無人機之間進(jìn)行充分通信，從而降低增益系數(shù)的不利影響。MATLAB仿真實驗表明，該方法具有較好的可行性和魯棒性，能有效解決機間防碰撞的問題。

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

無人機集群是指無人機依靠局部感知和相互作用而自主決定運動狀態(tài)，并由單無人機局部行為構(gòu)成多無人機全局行為的協(xié)同方式[1]。無人機集群廣泛應(yīng)用在搜索救援、交通監(jiān)測[2]中，因此無人機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碰撞[2]。

1 方案總述

本方案解決無人機集群系統(tǒng)的機間防碰撞問題，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，搭建起了無人機系統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)機制。利用分布式思想，根據(jù)無人機集群密集程度對其進(jìn)行實時動態(tài)立體分組，小組內(nèi)信息進(jìn)行共享，以減少無人機飛控計算量?；谠既斯輬觯瑯?gòu)建了一種三維空間復(fù)合矢量人工勢場，組內(nèi)無人機之間具有引力和斥力，實現(xiàn)了機間規(guī)避。外設(shè)中央操控系統(tǒng)，將無人機劃分為多個小組，在組內(nèi)進(jìn)行無人機的位置、高度、速度、偏角等信息實時共享，小組內(nèi)無人機數(shù)量可根據(jù)無人機密集程度進(jìn)行調(diào)整。

2 人工勢場

2.1 建立模型

設(shè)定無人機受組內(nèi)其他無人機影響的作用區(qū)域為球體，以任意一架無人機為球心，將無人機周圍的球分成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）點和（2，2，2）點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）點和（4，4，4）點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 兩個無人機之間斥力作用

無人機之間的距離滿足1＜＜21時，它們之間的斥力隨的變小而小范圍增大；如果無人機之間的距離滿足＜1時，代表這兩架無人機有碰撞的危險，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 兩個無人機之間引力作用

同一小組內(nèi)的任意兩架無人機之間距離過遠(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)），這兩架無人機受引力作用，引力保證該兩架無人機集結(jié)相互作用。

2.2.3 無人機所受合力公式

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

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)實時收集整個系統(tǒng)內(nèi)所有的無人機的位置等信息，并依據(jù)各個無人機的具體位置實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。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)無人機集群的實時位置信息進(jìn)行調(diào)整。②選取基點時，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，，，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，并確定基點位置及數(shù)量，一次分組結(jié)束后每個基點對應(yīng)的無人機數(shù)量將固定。分組后小組內(nèi)無人機進(jìn)行信息共享，基于人工勢場法進(jìn)行機間避障。分布式與人工勢場相結(jié)合進(jìn)行無人機機間規(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架無人機進(jìn)行單獨研究，設(shè)無人機單元1為W1，無人機單元2為W2，無人機單元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的開始段為無人機遠(yuǎn)離階段，直到到達(dá)安全區(qū)飛機不再受力。無人機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)上的多無人機機間規(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)無人機傳回的位置信息對無人機進(jìn)行分組，并且實現(xiàn)信息的組內(nèi)共享，以減少無人機的運算量，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。定義了人工勢場，并搭載毫米波雷達(dá)，實現(xiàn)了多無人機的機間避障。仿真結(jié)果表明，該算法可以進(jìn)行高效分組，各組無人機之間的信息也可以進(jìn)行實時共享，使無人機機間的規(guī)避成為可能，具有較高的應(yīng)用價值。實驗結(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.

［2］Mujumdar A，Padhi R.Evolving Philosophies on Autonomous Obstacle/Collision Avoidance of Unmanned Aerial Vehicles［J］.Journal of Aerospace Computing Information & Communication，2011，8（2）：17-41.

［3］W.Ren.Consensus strategies for cooperative control of vehicle formations［J］.IET Control Theory & Applications，2007（4）.

［4］L.Marconi，R.Naldi.Robust nonlinear control of a miniature helicopter for aerobatic maneuvers［C］//Proceedings of 32nd European Rotorcraft Forum，2006.

［5］張殿富，劉福.基于人工勢場法的路徑規(guī)劃方法研究及展望［J］.計算機工程與科學(xué)，2013，35（6）：88-95．

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，研究方向為無人機智能集群作業(yè)。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕