基于北斗導(dǎo)航技術(shù)的無人機(jī)“蜂群”系統(tǒng)

李諭 秦澤

摘 要：該系統(tǒng)利用北斗定位技術(shù)與實(shí)時(shí)導(dǎo)航技術(shù)和多無人機(jī)協(xié)同控制系統(tǒng)，將北斗系統(tǒng)與無人機(jī)相結(jié)合，有效增強(qiáng)了無人機(jī)“蜂群”的定位，避障與信息的實(shí)時(shí)傳輸。使得無人機(jī)可以在復(fù)雜環(huán)境下有著敏銳的反應(yīng)和應(yīng)對(duì)能力，“蜂群”還可以化整為零，同時(shí)執(zhí)行多個(gè)類型不同的任務(wù)，提高了任務(wù)的執(zhí)行率和成功率。該系統(tǒng)可將無人機(jī)的協(xié)同作戰(zhàn)能力發(fā)揮的更加高效，無人機(jī)蜂群協(xié)同控制與自主避障技術(shù)主要需解決兩個(gè)及以上無人機(jī)的編隊(duì)構(gòu)型控制和自主避障的問題，應(yīng)用北斗的定位技術(shù)和導(dǎo)航技術(shù)自主實(shí)現(xiàn)蜂群無人機(jī)各成員間導(dǎo)航與控制，能讓無人機(jī)蜂群成為一個(gè)整體并且更好的執(zhí)行上層系統(tǒng)分配的任務(wù)。

關(guān)鍵詞：北斗定位技術(shù);北斗信息傳輸技術(shù);北斗導(dǎo)航系統(tǒng);多旋翼飛行器系統(tǒng);多無人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)

引言

近幾年單無人機(jī)作戰(zhàn)已經(jīng)不能很好的適應(yīng)日益變化的作戰(zhàn)模式與作戰(zhàn)環(huán)境，應(yīng)從單無人機(jī)覆蓋式打擊轉(zhuǎn)型至多無人機(jī)的精確式打擊，此外多無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)降低了單無人機(jī)易被攔截的風(fēng)險(xiǎn)，并可同時(shí)對(duì)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行打擊，提高了作戰(zhàn)效率。一旦該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)，必將大大提高我國(guó)空軍的空地打擊能力和制空能力。

系統(tǒng)組成及功能

該系統(tǒng)的核心技術(shù)是北斗定位技術(shù)、北斗信息傳輸技術(shù)、北斗導(dǎo)航技術(shù)和多無人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)。因上述系統(tǒng)均有獨(dú)立體系此處不做過多介紹，著重?cái)⑹鲋T多系統(tǒng)的融合與協(xié)同應(yīng)用。

無人機(jī)蜂群協(xié)同控制與自主避障技術(shù)主要需解決兩個(gè)及以上無人機(jī)的編隊(duì)構(gòu)型控制和自主避障的問題，應(yīng)用北斗的定位技術(shù)和導(dǎo)航技術(shù)自主實(shí)現(xiàn)蜂群無人機(jī)各成員間導(dǎo)航與控制，能讓無人機(jī)蜂群成為一個(gè)整體并且更好的執(zhí)行上層系統(tǒng)分配的任務(wù)。

無人機(jī)蜂群協(xié)同控制與自主避障技術(shù)的特點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)：

·只需要簡(jiǎn)單指令就可以操控蜂群

·蜂群可以自主躲避障礙物

·蜂群成員之間不會(huì)發(fā)生碰撞

·蜂群可以在需要時(shí)分成多個(gè)小組同時(shí)執(zhí)行不同任務(wù)

·蜂群成員只需要具備周邊通訊功能

·可統(tǒng)一蜂群的大體運(yùn)動(dòng)

·蜂群不需要領(lǐng)航者，所以魯棒性強(qiáng)

·系統(tǒng)算法可以應(yīng)用于任意數(shù)量無人機(jī)成員

·可根據(jù)需要應(yīng)用于二維平面編隊(duì)和三維立體編隊(duì)

該技術(shù)包括以下三個(gè)核心功能：蜂群構(gòu)型控制、蜂群自主避障、蜂群任務(wù)分配。

◆ 無人機(jī)蜂群編隊(duì)構(gòu)型控制

無人機(jī)蜂群編隊(duì)構(gòu)型控制算法以圖論為理論基礎(chǔ)，以編隊(duì)成員趨近、同速、避撞為基本原則，以北斗的實(shí)時(shí)通訊技術(shù)為通訊方式來實(shí)現(xiàn)編隊(duì)構(gòu)型的一致性控制。編隊(duì)構(gòu)型控制共有以下兩種：固定構(gòu)型編隊(duì);空間自由編隊(duì)。

固定構(gòu)型編隊(duì)

當(dāng)無人機(jī)成員數(shù)量較少時(shí)，一般選擇固定構(gòu)型編隊(duì)，包括：線型構(gòu)型（一字構(gòu)型）;人字形構(gòu)型;三角形構(gòu)型;鉆石型等。此外，可以根據(jù)需求進(jìn)行任意編隊(duì)構(gòu)型的定制開發(fā)。

空間自由編隊(duì)

空間自由編隊(duì)模式下，無人機(jī)各成員間的相對(duì)位置可以根據(jù)指定的勢(shì)函數(shù)進(jìn)行確定，穩(wěn)定編隊(duì)構(gòu)型形成后，成員間以二維空間編隊(duì)或三維空間編隊(duì)為基本單元組成整體。在該模式下，編隊(duì)成員間的通信拓?fù)鋺?yīng)是動(dòng)態(tài)變化的，無人機(jī)只需對(duì)其周圍一定范圍內(nèi)的成員具有通信能力，并不需要全局通信能力，因此具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。

◆ 無人機(jī)蜂群自主避障

無人機(jī)蜂群自主避障功能可以實(shí)現(xiàn)蜂群整體對(duì)各類動(dòng)靜態(tài)障礙的規(guī)避，蜂群通過運(yùn)行指令控制實(shí)現(xiàn)蜂群整體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的改變，如控制蜂群按指定航路點(diǎn)飛低目的地，并在飛行過程中蜂群能夠根據(jù)北斗導(dǎo)航提供的實(shí)時(shí)導(dǎo)航數(shù)據(jù)規(guī)避障礙區(qū)域或敵方單位。無人機(jī)蜂群自主避障基于勢(shì)函數(shù)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，蜂群通常不進(jìn)行顯式的航路規(guī)劃，而是將障礙區(qū)域/敵方單位設(shè)置為斥力源，當(dāng)蜂群靠近斥力源時(shí)將生成偏離指令，制導(dǎo)蜂群避障。

◆ 無人機(jī)蜂群任務(wù)分配

無人機(jī)蜂群可以分成若干小蜂群去執(zhí)行不同的任務(wù)。不同的任務(wù)可以由數(shù)量不等的小蜂群執(zhí)行，小蜂群中成員數(shù)量可以根據(jù)任務(wù)的類型和難易程度自動(dòng)進(jìn)行分配。此外，蜂群不同成員具有獨(dú)立的功能，每個(gè)任務(wù)需要具有不同功能的成員機(jī)一同協(xié)作完成。

系統(tǒng)工作過程

系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）覆蓋面廣

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)目前有39顆在軌衛(wèi)星，可以為整個(gè)亞太地區(qū)提供服務(wù)，2020年將再發(fā)射2-4顆衛(wèi)星從而可以實(shí)現(xiàn)為全球提供服務(wù)。

（2）定位精度高

空間信號(hào)精度將優(yōu)于0.5米;全球定位精度將優(yōu)于10米，測(cè)速精度優(yōu)于0.2米/秒，授時(shí)精度優(yōu)于20納秒;亞太地區(qū)定位精度將優(yōu)于5米，測(cè)速精度優(yōu)于0.1米/秒，授時(shí)精度優(yōu)于10納秒

（3）不易于攔截

無人機(jī)蜂群在執(zhí)行任務(wù)時(shí)多為群體作戰(zhàn)，而現(xiàn)有防空系統(tǒng)也很難在高密度的無人機(jī)攻擊下對(duì)無人機(jī)集群進(jìn)行攔截。并且現(xiàn)在微型無人機(jī)也比較普及，此類無人機(jī)可以利用3D打印技術(shù)進(jìn)行制造，3D打印技術(shù)和新型復(fù)合式材料的應(yīng)用可以大大降低被防空系統(tǒng)攔截的可能。

（4）低耗高效

無人機(jī)蜂群化作戰(zhàn)所需的無人機(jī)及經(jīng)濟(jì)又小巧，在保證戰(zhàn)斗力的同時(shí)又節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本，由于蜂群化作戰(zhàn)具有數(shù)量上的優(yōu)勢(shì)，所以在執(zhí)行任務(wù)的效率也很高，另外還可以執(zhí)行高密度、高負(fù)荷的任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

[1]microsoft-edge：http：//www.52rd.com/Blog/Detail_RD.Blog_hirain_88434.html

[2] 《多無人機(jī)自主協(xié)同控制理論與方法》是2012年1月國(guó)防工業(yè)出版社

[3]http：//www.beidou.gov.cn/

（長(zhǎng)春大學(xué)）