無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)控制算法實(shí)現(xiàn)

魏文龍

無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)控制算法實(shí)現(xiàn)

魏文龍

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

無(wú)人機(jī)的編隊(duì)控制是無(wú)人機(jī)集群協(xié)同作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)。從工程實(shí)踐的角度出發(fā)，比較了各種編隊(duì)控制方法的優(yōu)劣后采用領(lǐng)航—跟隨法進(jìn)行無(wú)人機(jī)的編隊(duì)控制；選擇比例—積分—微分控制器作為領(lǐng)航—跟隨法的基礎(chǔ)，以軟件仿真的形式實(shí)現(xiàn)算法，使用不同的編隊(duì)隊(duì)形對(duì)領(lǐng)航—跟隨法進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該算法在隊(duì)形保持控制上的可用性和穩(wěn)定性。

編隊(duì)控制；領(lǐng)航—跟隨法；比例—積分—微分控制器

0 引言

目前主流的無(wú)人機(jī)隊(duì)形控制方法[1]包括但不限于領(lǐng)航—跟隨法、基于行為法和虛擬結(jié)構(gòu)法[2]，每種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，不同方法適合不同場(chǎng)景[3]。

領(lǐng)航—跟隨法是目前多無(wú)人機(jī)編隊(duì)控制中最常用的方法之一。該方法將編隊(duì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為經(jīng)典控制理論中的誤差跟蹤問(wèn)題，具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性，編隊(duì)控制工程實(shí)現(xiàn)比較容易，對(duì)硬件資源要求較低，能夠減少不同跟隨者之間的相互干擾[4]；而基于行為法是通過(guò)定義無(wú)人機(jī)的幾種基本控制行為，對(duì)定義的幾種行為進(jìn)行加權(quán)得到編隊(duì)控制方法。缺點(diǎn)是群體行為很難定義，難以用數(shù)學(xué)方法分析，靈活性和穩(wěn)定性不足；虛擬結(jié)構(gòu)法將編隊(duì)假想為一個(gè)虛擬的剛體結(jié)構(gòu)，整個(gè)編隊(duì)中的每架無(wú)人機(jī)均被視為其結(jié)構(gòu)上的一個(gè)固定節(jié)點(diǎn)。虛擬結(jié)構(gòu)法存在不可忽略的問(wèn)題，比如運(yùn)動(dòng)單一難以滿(mǎn)足實(shí)際需求，實(shí)現(xiàn)難度高等。

從固定翼智能集群飛行編隊(duì)控制的實(shí)際需求出發(fā)，需要無(wú)人機(jī)根據(jù)不同任務(wù)場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)各種不同隊(duì)形，要求隊(duì)形切換速度快，能夠在飛行過(guò)程中保持編隊(duì)穩(wěn)定。從實(shí)現(xiàn)難易程度和工程應(yīng)用的角度出發(fā)，選擇領(lǐng)航—跟隨算法具有實(shí)現(xiàn)容易、穩(wěn)定性高、響應(yīng)速度快的優(yōu)勢(shì)。

1 領(lǐng)航—跟隨算法的原理與實(shí)現(xiàn)

在領(lǐng)航—跟隨法的編隊(duì)保持算法里，選擇無(wú)人機(jī)集群中某一個(gè)無(wú)人機(jī)作為領(lǐng)航者，領(lǐng)航者相當(dāng)于整個(gè)機(jī)群的領(lǐng)隊(duì)，是集群中其余無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中的參考目標(biāo)，對(duì)無(wú)人機(jī)集群的隊(duì)形控制起著重要作用，無(wú)人機(jī)集群中的其他無(wú)人機(jī)相當(dāng)于跟隨者，跟蹤領(lǐng)航者位置與方向保持二者之間的距離。常用的領(lǐng)航—跟隨法有—和—兩種，其中—方法是使領(lǐng)航者和跟隨者之間保持預(yù)期角度和距離，而—是僅基于調(diào)整二者相對(duì)距離的編隊(duì)方式。

使用領(lǐng)航—跟隨法中的—方法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)編隊(duì)保持控制，選擇控制簡(jiǎn)單、抗干擾較強(qiáng)的比例—積分—微分（Proportional-Integral-Derivative，PID）控制器具體實(shí)現(xiàn)編隊(duì)隊(duì)形保持控制。編隊(duì)飛行集群中多個(gè)跟隨者跟隨領(lǐng)航者的動(dòng)作，保持對(duì)應(yīng)隊(duì)形預(yù)設(shè)的相對(duì)位置，飛行高度提前預(yù)設(shè)，因此編隊(duì)只需要保持水平相對(duì)位置即可，水平位置保持可分為橫向位置控制和縱向位置控制。在整個(gè)無(wú)人機(jī)集群中領(lǐng)航者作為長(zhǎng)機(jī)，其余跟隨者作為僚機(jī)。

得到速度期望，通過(guò)無(wú)人機(jī)的自駕儀進(jìn)行執(zhí)行控制，實(shí)現(xiàn)僚機(jī)相對(duì)長(zhǎng)機(jī)前后向的位置保持。

通過(guò)PID控制器可得到僚機(jī)的期望的橫向過(guò)載，形式如式（4）所示：

得到期望橫向過(guò)載，通過(guò)飛機(jī)的自駕儀進(jìn)行執(zhí)行控制，實(shí)現(xiàn)僚機(jī)相對(duì)長(zhǎng)機(jī)左右向的位置保持。

對(duì)于垂直位置即方向位置，由于固定翼的垂直通道控制為副翼舵直接通過(guò)自駕儀執(zhí)行控制，因此僚機(jī)垂直通道的輸入為長(zhǎng)機(jī)的實(shí)時(shí)高度，不需要編隊(duì)控制器參與控制。

2 集群編隊(duì)保持控制方案設(shè)計(jì)

本文采用軟件仿真的方式對(duì)集群編隊(duì)保持控制，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)與具體實(shí)現(xiàn)，無(wú)人機(jī)集群控制由地面控制站和無(wú)人機(jī)集群兩部分組成[5]，其中地面控制站軟件負(fù)責(zé)航跡規(guī)劃、編隊(duì)控制、任務(wù)管理及無(wú)人機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)等工作，并將指令信息發(fā)送給無(wú)人機(jī)集群仿真軟件，無(wú)人機(jī)集群仿真軟件到地面控制站軟件信息后根據(jù)信息內(nèi)容進(jìn)行具體動(dòng)作并將自身信息回傳給地面站軟件，地面控制站軟件與無(wú)人機(jī)集群仿真軟件之間具體工作過(guò)程如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)流程圖

本文采用領(lǐng)航—跟隨法來(lái)實(shí)現(xiàn)集群編隊(duì)控制，因此對(duì)于無(wú)人機(jī)集群來(lái)說(shuō)存在長(zhǎng)機(jī)、僚機(jī)區(qū)分。任務(wù)開(kāi)始執(zhí)行后，長(zhǎng)機(jī)的主要職責(zé)是根據(jù)地面控制站裝訂的任務(wù)進(jìn)行飛行，并實(shí)時(shí)廣播自身的三維位置和三維速度數(shù)據(jù)給僚機(jī)，當(dāng)有其他臨時(shí)任務(wù)時(shí)，分配任務(wù)給相應(yīng)的僚機(jī)。僚機(jī)的主要職責(zé)是根據(jù)預(yù)裝訂的隊(duì)形參數(shù)和長(zhǎng)機(jī)實(shí)時(shí)廣播的三維位置及三維速度數(shù)據(jù)保持與長(zhǎng)機(jī)同步飛行，并響應(yīng)長(zhǎng)機(jī)分配的臨時(shí)任務(wù)。

編隊(duì)控制方法主要通過(guò)編隊(duì)形成、編隊(duì)變化恢復(fù)、編隊(duì)保持三個(gè)方面評(píng)估可用性[6]。面對(duì)不同的任務(wù)剖面、環(huán)境約束或者任務(wù)變化，例如：多無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行執(zhí)行任務(wù)時(shí)，需要對(duì)敵機(jī)、建筑物等較大障礙物進(jìn)行避障，集群可以通過(guò)變換隊(duì)形高效安全地完成任務(wù)。因此，編隊(duì)保持的穩(wěn)定性是無(wú)人機(jī)編隊(duì)控制技術(shù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)與基礎(chǔ)。

3 軟件仿真試驗(yàn)

首先打開(kāi)無(wú)人機(jī)集群仿真軟件并設(shè)置無(wú)人機(jī)數(shù)量后開(kāi)始仿真，然后打開(kāi)地面站軟件，在地面站軟件中導(dǎo)入跟蹤參數(shù)和航點(diǎn)信息。

無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中不同隊(duì)形跟蹤參數(shù)如表1～表4所示。

無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行時(shí)默認(rèn)為豎一字形隊(duì)形，該種編隊(duì)方法中領(lǐng)航者和跟隨者方向位置一致，方向通過(guò)控制算法使實(shí)際跟蹤距離與預(yù)設(shè)跟蹤的誤差在一定范圍之內(nèi)，仿真隊(duì)形圖如圖2所示。

與豎一字形隊(duì)形不同，該種編隊(duì)方法中跟隨者分布在領(lǐng)航者左右，方向位置保持一致，具體隊(duì)形如圖3所示。

表1 豎一字隊(duì)形跟蹤參數(shù)設(shè)置（單位：m）

表2 橫一字隊(duì)形跟蹤參數(shù)設(shè)置（單位：m）

圖2 豎一字隊(duì)形

圖3 橫一字隊(duì)形

表3 人字隊(duì)形跟蹤參數(shù)設(shè)置（單位：m）

人字形隊(duì)形中跟隨機(jī)對(duì)稱(chēng)分布在領(lǐng)航者左右，具體隊(duì)形如圖4所示。

圖4 人字隊(duì)形

表4 橫二字隊(duì)形跟蹤參數(shù)設(shè)置（單位：m）

橫二字隊(duì)形如圖5所示。

圖5 橫二字隊(duì)形

對(duì)上述四種隊(duì)形中仿真參數(shù)選取人字隊(duì)形進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，使用該隊(duì)形數(shù)據(jù)同時(shí)對(duì)無(wú)人機(jī)的、坐標(biāo)誤差進(jìn)行分析。在所有無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)中分別選擇離長(zhǎng)機(jī)較近的2號(hào)無(wú)人機(jī)、中等距離的9號(hào)無(wú)人機(jī)、較遠(yuǎn)距離的14號(hào)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)為代表驗(yàn)證算法穩(wěn)定性，其坐標(biāo)仿真圖分別如圖6～圖8所示。

圖6 人字隊(duì)形2號(hào)機(jī)坐標(biāo)仿真圖

圖7 人字隊(duì)形9號(hào)機(jī)坐標(biāo)仿真

圖8 人字隊(duì)形14號(hào)機(jī)坐標(biāo)仿真

從圖6～圖8中可以驗(yàn)證，無(wú)論是跟隨無(wú)人機(jī)距離還是領(lǐng)航無(wú)人機(jī)距離，其大小算法具有一致性，與表3設(shè)置仿真參數(shù)對(duì)比，各跟隨無(wú)人機(jī)坐標(biāo)位置在設(shè)定跟蹤參數(shù)附近震蕩，誤差基本在0.15 m以?xún)?nèi)，驗(yàn)證了該算法在無(wú)人機(jī)編隊(duì)中的可用性。

4 結(jié)語(yǔ)

基于PID控制器的領(lǐng)航—跟隨法具有編隊(duì)響應(yīng)快速和控制器實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。通過(guò)實(shí)際軟件仿真驗(yàn)證了該方法的穩(wěn)定性，不同編隊(duì)隊(duì)形下跟蹤距離誤差較小，誤差收斂較快，長(zhǎng)時(shí)間飛行過(guò)程中可以保持預(yù)期隊(duì)形完成飛行任務(wù)。

[1] 樊瓊劍，楊忠，方挺，等. 多無(wú)人機(jī)協(xié)同編隊(duì)飛行控制的研究現(xiàn)狀[J]. 航空學(xué)報(bào)，2009，30（04）：683-691.

[2] 袁利平，陳宗基，周銳，等. 多無(wú)人機(jī)同時(shí)到達(dá)的分散化控制方法[J]. 航空學(xué)報(bào)，2010，31（04）：797-805.

[3] 陳新泉. 四旋翼無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D]. 南昌：南昌航空大學(xué)，2014.

[4] 楊帆. 微型四旋翼飛行器的建模與控制系統(tǒng)研究[D]. 太原：太原理工大學(xué)，2014.

[5] 李俊，李運(yùn)堂. 四旋翼飛行器的動(dòng)力學(xué)建模及 PID 控制[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，31（01）：14-117.

[6] 嵇亮亮. 無(wú)人機(jī)的導(dǎo)引及協(xié)同編隊(duì)飛行控制技術(shù)研究[D]. 南京：南京航空航天大學(xué)，2008.

Design of UAV Formation Control Algorithm

WEI Wenlong

Formation control of UAV is the key technology of UAV cluster cooperative operation. The advantages and disadvantages of various formation control methods from the point of engineering practice and then adopts pilot-follow method to carry out formation control of UAV is compared. Proportional-integral-derivative control is selected as the basis of the pilot-follow method and the algorithm is implemented in the form of software simulation, and the pilot-follow method is verified by different formation, the experimental result show that the algorithm is available and stable information keeping control.

Formation Control; Pilot-Follow Method; Proportional-Integral-Derivative Controller

V249

A

1674-7976-(2022)-06-453-06

2021-10-15。

魏文龍（1993.04—），甘肅武山人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航與無(wú)人機(jī)控制。