無人機編隊避障與控制技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

查勇

（四川天府新區(qū)通用航空職業(yè)學(xué)院，四川 成都 620564）

避障問題是無人機編隊飛行中需要重點考慮的內(nèi)容。避障的目的是保證無人機在編隊飛行中不會受到外界環(huán)境及機間影響，降低事故發(fā)生率，提高工作完成質(zhì)量。不過，就目前專業(yè)技術(shù)水平而言，避障工作還存在一些問題有待解決，本文就對無人機編隊避障進行探討分析，并根據(jù)現(xiàn)狀提出合理的解決措施。

1 多架無人機協(xié)同編隊飛行

無人機編隊飛行已經(jīng)成為軍事領(lǐng)域、科研工作者日常工作的重點內(nèi)容，無人機編隊飛行中，要求做好隊形設(shè)計、氣動耦合，控制無人機間的安全距離，做好動態(tài)化科學(xué)調(diào)整，維持航跡的準(zhǔn)確性、安全性，以便高效完成指定工作。我國目前針對無人機編隊飛行的研究還處于發(fā)展階段，仍需深入研究，以便為我國軍事事業(yè)發(fā)展貢獻力量。

2 優(yōu)點

無人機編隊飛行在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用，可以提高偵查和單次作戰(zhàn)效率，為軍事人員提供更加完善的數(shù)據(jù)資料，維護作戰(zhàn)安全性。無人機編隊飛行可以從不同角度對偵查區(qū)域的具體情況進行了解，使相關(guān)人員準(zhǔn)確掌握偵查區(qū)域地形地勢特征，以及存在的電磁信號干擾情況，對方人員、設(shè)備等的分布情況等，準(zhǔn)確評估戰(zhàn)場情況。同時，無人機上附帶的相機拍攝功能，可以在短時間內(nèi)將偵查現(xiàn)場情況快速傳輸?shù)娇偛?，縮短信息傳輸時間，避免信息截取的可能，便于總部人員及時調(diào)整作戰(zhàn)方案。利用無人機還可以實現(xiàn)多個地方的同時攻擊，減少因時間差引發(fā)的危險事故，增大作戰(zhàn)的成功率。

3 無人機編隊避障與控制技術(shù)研究現(xiàn)狀

3.1 無人機編隊防碰撞

無人機編隊避障和控制技術(shù)的研究是為讓無人機在協(xié)同作業(yè)中，不會因與周邊障礙物的碰撞或無人機相互間的碰撞而出現(xiàn)故障問題，進而使任務(wù)失敗的一種方式。在無人機編隊飛行中，編隊內(nèi)無人機數(shù)量會直接影響編隊飛行效果。數(shù)量較少，在編隊飛行中，一旦出現(xiàn)碰撞問題，損毀的一架無人機會對任務(wù)執(zhí)行情況帶來不良影響。如果數(shù)量較多，在無人機編隊飛行中，則會因為間距把控不到位、障礙物等因素，導(dǎo)致碰撞事故的發(fā)生，并產(chǎn)生一系列連鎖反應(yīng)，阻礙任務(wù)完成。為此，在無人機編隊障壁和控制過程中，需做好無人機航跡規(guī)劃作業(yè)，考慮協(xié)同避障內(nèi)容，以維護無人機編隊飛行的安全性。

在研究無人機編隊防碰撞的過程中，針對目前幾種方式展開探究，得出結(jié)果為：協(xié)同航跡規(guī)劃還存在一些問題，雖然能夠減少碰撞，但只適用于合作型無人機，其他情況下效果不明顯；幾何最優(yōu)法在使用中，雖然是以入侵機的原點掌握無人機編隊飛行的速度和位置，解決速度矢量與保護圓相交存在的矛盾，但也僅僅適用于二維平面內(nèi)，范圍受限。

利用DUBINS 曲線處理無人機編隊防碰撞，將兩架固定翼無人機放置在同等高度且有障礙物的環(huán)境下，規(guī)劃飛行路徑，借助傳統(tǒng)的搜索算法找出無人機飛行中最短的避障路徑，以此增強防碰撞效果。在同高度飛行狀態(tài)下，充分利用無人機間的運動關(guān)系，以向量共享方式和路徑規(guī)劃內(nèi)容，計算得出防止碰撞產(chǎn)生的路徑。不過，該方法在使用中，因為不能充分考慮無人機之間的約束效果，只是借助路徑調(diào)控完成避障行為，容易使任務(wù)執(zhí)行中問題增加，影響任務(wù)完成度。

虛擬結(jié)構(gòu)法，其與人工勢場法有效結(jié)合起來，利用虛擬操作對無人機編隊飛行中存在的誤差值實行收集和分析，找出可能引發(fā)碰撞的因素，重新設(shè)定無人機安全間距，保持隊形的穩(wěn)定性和精確性，改善障礙物規(guī)避效果。在人工勢場下，需要以新的函數(shù)指標(biāo)實現(xiàn)無人機編隊避障效果，維持編隊隊形的持久性，減少危險的發(fā)生。為此，可嘗試將傳統(tǒng)算法和新的函數(shù)算法結(jié)合起來，獲取更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)資料，提高無人機編隊飛行中對障礙物的敏感度，保證隊形穩(wěn)定性。

透光性假說模型的構(gòu)建，針對的是密集編隊存在的碰撞問題。通過模型建立及LMPC 控制理論的應(yīng)用，生成完善的防碰撞控制器，以此控制無人機編隊飛行中存在的碰撞問題，減少損失。但該方法在避障問題處理上略顯不足，仍需進一步研究。

3.2 無人機機間防碰撞

針對人工勢場引發(fā)的無人機機間碰撞問題，在處理中，可以先利用引力和斥力模型，了解兩者間的關(guān)聯(lián)，之后將每臺無人機設(shè)置成移動障礙物，在斥力引力作用下，無人機可自動排斥周邊障礙物，避免機間碰撞的產(chǎn)生。另外，應(yīng)通過虛擬障礙物的構(gòu)建提高無人機編隊飛行的敏感度，減少人工勢場趨于最低值時引發(fā)的碰撞問題。利用BEZIER 曲線開展無人機編隊飛行中平滑性的調(diào)整和控制，這樣在飛行過程中，即使無人機作大角度轉(zhuǎn)彎變化，也不會對航跡路線構(gòu)成威脅，直接控制轉(zhuǎn)彎時因間距縮短導(dǎo)致的碰撞現(xiàn)象，維持無人機編隊飛行的穩(wěn)定性、順暢性。

對無人機機間防碰撞的研究發(fā)現(xiàn)，以傳統(tǒng)的人工勢場法開展無人機航跡規(guī)劃時，容易出現(xiàn)局部極小點、受迫性碰撞及目標(biāo)點無法達到等情況，削弱避障效果。為解決這一問題，需對傳統(tǒng)的人工勢場法進行改進和優(yōu)化，創(chuàng)建新的軌跡劃算法，避免上述問題的出現(xiàn)。該方法是通過方向協(xié)調(diào)能力的提升，控制無人機與目標(biāo)點間距，進而加強避障效果。分析無人機與目標(biāo)點間距變化帶來的影響，創(chuàng)建新的斥力函數(shù)，兩者縮小時，斥力函數(shù)也會逐漸縮小，直至為零，確保目標(biāo)點能夠達到規(guī)定要求，反之，則說明目標(biāo)點無法達到。

無人機編隊內(nèi)部存在的避障問題，可利用預(yù)測控制法及航路回歸模型進行解決。前者可在無人機發(fā)生碰撞前，對間距進行調(diào)整，在保證航跡方向不變的情況下，維持飛行穩(wěn)定性。后者可以改善無人機編隊飛行中的控制效率，將無人機編隊飛行的具體情況快速回傳到指定系統(tǒng)內(nèi)，及時調(diào)整飛行航線，以達到避障控制的目的。

4 無人機編隊避障與控制技術(shù)發(fā)展趨勢

4.1 密集編隊避障與控制

無人機密集編隊飛行避障控制技術(shù)的研究存在薄弱部分，密集編隊一旦出現(xiàn)碰撞問題，將會產(chǎn)生一系列連鎖反應(yīng)，進而增加損失率，降低任務(wù)成功率。在密集編隊飛行過程中，無人機機間距本身就較小，一旦遇到障礙物，一臺無人機會因為斥力出現(xiàn)躲避情況，直接縮短與相連無人機的間距，本身較小的距離再次縮短，直到無人機碰撞。相鄰無人機均會存在上述情況，進而產(chǎn)生一系列連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致無人機全部無法使用。

雖然目前科研企業(yè)有將鳥類透光避障原理模型應(yīng)用到密集編隊避障和控制中來，但對于靜態(tài)和動態(tài)規(guī)避技術(shù)，還存在滯后性，難以解決上述問題。為此，在以后發(fā)展中，有必要針對這一問題展開深度討論。目前，在解決密集編隊避障和控制問題上，有網(wǎng)絡(luò)分隔法、協(xié)同避障法、透光性避障法這三種，如果單獨使用，效果不明顯，但如果能夠融合應(yīng)用，借助三種方法的優(yōu)勢，便可有效提升密集編隊避障和控制水平。以網(wǎng)絡(luò)分隔法將密集編隊無人機劃分成若干小組，分別對各個小組展開調(diào)度和控制，做好整體無人機管控。利用透光性對無人機間距進行科學(xué)調(diào)整，使其在編隊飛行中不會存在連鎖碰撞現(xiàn)象。最后，再利用協(xié)同避障法，對密集編隊存在的空間影響因素進行計算，優(yōu)化躲避性能。

4.2 干擾避障及控制技術(shù)

無人機編隊飛行中，與障礙物距離越近，越容易受到自然環(huán)境和人為因素的影響，導(dǎo)致無人機上的探測設(shè)備、通信設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，最終收集的數(shù)據(jù)資料存在傳輸不暢、連接中斷，數(shù)據(jù)丟失、測量誤差增大?，F(xiàn)階段，對干擾避障和控制技術(shù)的研究力度較弱，多是以具體情況展開調(diào)整，但因反應(yīng)時間較慢，難免會存在一些危險因素。為此，可以將智能化技術(shù)融入其中，快速識別存在的干擾因素，做好相關(guān)函數(shù)計算，在臨近干擾物時，快速反應(yīng)，從而降低碰撞的可能。

4.3 密集障礙物避障和控制技術(shù)

無人機編隊飛行中，可能會因為遇到復(fù)雜山區(qū)地形或中心城市，導(dǎo)致無人機編隊飛行中存在較多障礙物，但由于復(fù)雜性限制，無法及時調(diào)整編隊隊形，增加無人機編隊難度。為此，有必要構(gòu)建一體化智能管理系統(tǒng)，減少接近障礙物時存在的各種干擾因素，保證無人機數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)目焖傩浴⒑侠硇?，也可以通過智能化技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)無人機的科學(xué)調(diào)控，針對復(fù)雜環(huán)境變化，快速調(diào)整編隊隊形。

5 結(jié)語

希望上文論述可以對相關(guān)人員有所幫助，深入掌握無人機編隊避障與控制技術(shù)及其未來發(fā)展趨勢，在以后能夠加大研究深度，提升該項技術(shù)水平，從而拓寬行業(yè)的前行路徑。