單俊杰，賴水清

(1.海裝武漢局，湖北 武漢 430064；2.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

無(wú)人機(jī)是一種使用無(wú)線電遙控裝置或其自帶的軟件自動(dòng)控制裝置控制飛行的飛行器，分為旋翼無(wú)人機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)。多旋翼無(wú)人機(jī)能夠垂直起降、自由懸停，穩(wěn)定性好、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，因此引起了各國(guó)的廣泛關(guān)注。

隨著無(wú)人機(jī)任務(wù)的日趨多樣化，單機(jī)作戰(zhàn)和純手控飛行模式已不能滿足其飛行任務(wù)的日常需要。因此，多架無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行和航跡規(guī)劃已成為必然要求。

實(shí)現(xiàn)多無(wú)人機(jī)編隊(duì)自主飛行的關(guān)鍵技術(shù)分為兩部分：多無(wú)人機(jī)的跟蹤控制和軌跡規(guī)劃。無(wú)人機(jī)跟蹤控制部分要求有完整的無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)，然后無(wú)人機(jī)可以按照給定的軌跡飛行。軌跡規(guī)劃要求給定起始狀態(tài)和結(jié)束狀態(tài)之間的連接，以及在三維空間中的時(shí)間、速度參數(shù)和無(wú)碰撞位置。在實(shí)際系統(tǒng)中，無(wú)論是跟蹤控制還是軌跡規(guī)劃都面臨著許多困難，這已成為自主飛行技術(shù)的瓶頸之一。

完成無(wú)人機(jī)的跟蹤控制，需要一個(gè)合適的無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)平臺(tái)。美國(guó)耶魯大學(xué)、賓夕法尼亞大學(xué)、麻省理工學(xué)院和瑞士的蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院等多家高校均展開(kāi)了無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)工作，包括研制新的無(wú)人機(jī)，開(kāi)發(fā)新的傳感器，環(huán)境的認(rèn)識(shí)和定位，跟蹤控制和路徑規(guī)劃等。其中，麻省理工學(xué)院的Huang A S[1]利用RGB-D攝像頭和慣性組合導(dǎo)航方式實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的探索和定位，缺乏對(duì)高度自治未知環(huán)境下的GPS信號(hào)定位的功能。而深圳大疆創(chuàng)新的Yang S[2]使用單眼相機(jī)、GPS和IMU的組合，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)和室外的精確定位，為無(wú)人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境下的自主飛行技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。以上所提到的工作都是做面向編隊(duì)飛行任務(wù)的其中一個(gè)模塊，并沒(méi)有完成一個(gè)完整的編隊(duì)飛行任務(wù)體系。

Guilherme V. Raffo[3]提出非線性 H∞姿態(tài)控制和位置控制相結(jié)合的路徑跟蹤方法，該方法在抵抗外界擾動(dòng)和內(nèi)部參數(shù)攝動(dòng)方面具有一定的魯棒性，但由于位置環(huán)的控制僅考慮位置誤差和誤差的導(dǎo)數(shù)，因此在路徑跟蹤上無(wú)法消除穩(wěn)態(tài)誤差。Penghong Lin[4]針對(duì)路徑跟蹤控制器進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)引入積分環(huán)，使飛行器在跟蹤恒定速度路徑時(shí)可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，但該方法在跟蹤其他信號(hào)時(shí)表現(xiàn)還是一般，存在一定的滯后，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)無(wú)法實(shí)時(shí)地跟隨飛行軌跡。

Carrillo L R G[5]提出一種切變滑?？刂苼?lái)解決路徑問(wèn)題，然而該方法在切邊時(shí)容易帶來(lái)飛行器的震顫，影響跟蹤效果。由于路徑跟蹤的特點(diǎn)，這些控制多用于無(wú)時(shí)間要求的單機(jī)中低精度飛行任務(wù)。如果這種方法被用于多UAV編隊(duì)，抖動(dòng)可能導(dǎo)致多UAV之間的碰撞。

Hoffmann G M[6]首先提出了一種基于時(shí)間的軌跡跟蹤控制方案。該方法可以根據(jù)需要調(diào)整跟蹤速度，并增加時(shí)間參數(shù)跟蹤。Mellinger D[7]完成了基于PD控制器的無(wú)人機(jī)精確軌跡跟蹤控制飛行。然而，他們只進(jìn)行單無(wú)人機(jī)飛行，沒(méi)有考慮多UAV編隊(duì)的任務(wù)。

Turpin M發(fā)表的文章[ 8]提出了一種用于編隊(duì)飛行的軌跡跟蹤控制方法：?jiǎn)蝹€(gè)無(wú)人機(jī)只跟蹤自身軌跡，多無(wú)人機(jī)采用隊(duì)形保持控制。這種方法能夠保持固定隊(duì)形飛行，但不能根據(jù)實(shí)際需要制定特殊軌跡隊(duì)形。本文提出的方法可以根據(jù)不同的需要設(shè)計(jì)多種不同的隊(duì)形。

在實(shí)際的三維環(huán)境中，跟蹤控制和軌跡規(guī)劃存在許多問(wèn)題。找到解決以下問(wèn)題的辦法是必要的：

1)較大的軌跡跟蹤誤差；

2)只完成了單個(gè)無(wú)人機(jī)的飛行；

3)不能根據(jù)需求設(shè)定不同的特殊的飛行軌跡。

為此，本文首先建立飛行控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境下多無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行，同時(shí)解決軌跡規(guī)劃問(wèn)題；其次進(jìn)行軌跡規(guī)劃和編隊(duì)隊(duì)形設(shè)計(jì)；然后構(gòu)建多UAV飛行平臺(tái)；最后進(jìn)行多無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行試驗(yàn)，并對(duì)飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和總結(jié)。

1 軌跡規(guī)劃

編隊(duì)飛行的一個(gè)重要前提就是要有適合的多無(wú)人機(jī)飛行軌跡，所以考慮環(huán)境條件并進(jìn)行軌跡規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)編隊(duì)飛行的一個(gè)重要步驟。

1.1 軌跡規(guī)劃步驟

我們使用matlab軟件進(jìn)行軌跡規(guī)劃，同時(shí)要考慮到以下的約束條件：

1)考慮到場(chǎng)地尺寸設(shè)定實(shí)際飛行編隊(duì)任務(wù)；

2)根據(jù)飛機(jī)的軸間距，確定兩架飛機(jī)的最小距離限制(至少是軸間距的兩倍)；

3)考慮到飛機(jī)自身的性能，軌跡不能存在尖角；

4)同一時(shí)間，兩架無(wú)人機(jī)不能上下重疊，因?yàn)榭赡軐?dǎo)致表面的mark點(diǎn)被掩蓋，致使定位失敗。

在使用matlab規(guī)劃軌跡的過(guò)程中，我們將每種編隊(duì)隊(duì)形、起飛降落階段視作獨(dú)立的階段，不同獨(dú)立階段之間的銜接過(guò)程使用直線軌跡連接，這樣的做法可以使軌跡達(dá)到最短最方便的效果，同時(shí)減少編隊(duì)飛行時(shí)無(wú)人機(jī)的耗電量。

以下是軌跡規(guī)劃方法簡(jiǎn)介：

第一步，我們需要確定要完成的編隊(duì)隊(duì)形，進(jìn)而就可以確定需要的無(wú)人機(jī)數(shù)量。

第二步，分別確定起飛階段的編隊(duì)集結(jié)方式和降落階段的編隊(duì)解散方式。在規(guī)劃每架無(wú)人機(jī)軌跡的過(guò)程中，要保證各架無(wú)人機(jī)的同步性，在同一時(shí)間保證各架飛機(jī)達(dá)到同一次序軌跡點(diǎn)，以確保多架無(wú)人機(jī)的同步飛行。

第三步，連接各個(gè)軌跡之間的開(kāi)始和終止?fàn)顟B(tài)，完成整體的編隊(duì)軌跡。在這一過(guò)程中，應(yīng)保證同一時(shí)間每?jī)杉軣o(wú)人機(jī)之間的距離大于距離限制條件。

第四步，檢查多無(wú)人機(jī)之間的距離是否大于距離的限制，如果滿足，軌跡規(guī)劃完成。如不滿足，則重復(fù)步驟二，修改軌跡，直到滿足距離限制條件。

在實(shí)際飛行中，兩個(gè)軌跡點(diǎn)之間的時(shí)間是固定的，可以通過(guò)改變軌跡點(diǎn)之間的距離來(lái)改變無(wú)人機(jī)的速度。

1.2 飛行隊(duì)形設(shè)計(jì)

我們基于以上的約束條件以及美觀性考慮，設(shè)計(jì)8條起始位置不同、中間路徑有部分相同的軌跡；使用matlab 軟件規(guī)劃出了4種軌跡；8架飛機(jī)的編隊(duì)分別為高低橢圓形、八字形、內(nèi)外環(huán)形和仿生鳥(niǎo)形的形狀。

隊(duì)形1: 高低橢圓形

軌跡由兩圈近似橢圓的曲線構(gòu)成，其中一圈高度保持在 0.95 m高度，另一圈為漸變高度，高度上限為 1.2 m，下限為 0.85 m。兩圈橢圓的xy值相同，俯視圖都為長(zhǎng)軸 2.4m、短軸 1.2 m的橢圓，八架飛機(jī)依次等間距的沿軌跡進(jìn)行飛行，保持同一時(shí)間下，飛機(jī)間距離大于 1.25 m，即保持安全距離。軌跡形狀如圖1所示。

圖1 高低橢圓形軌跡

隊(duì)形2: 八字形

因飛行條件不允許飛機(jī)同時(shí)在正上正下方，所以設(shè)計(jì)的八字軌跡高度都相同，8架飛機(jī)交替地穿越中間的軌跡交匯點(diǎn)?？紤]到同時(shí)性，設(shè)定飛機(jī)的距離分別為1/8圓弧、1/4圓弧和3/8圓弧，保持飛機(jī)間距離大于 0.85m，以此可以交替地通過(guò)八字中間點(diǎn)。軌跡形狀如圖2所示。

圖2 八字形軌跡

隊(duì)形3: 內(nèi)外環(huán)形

分別由俯視圖半徑為 1m和2m 的圓環(huán)構(gòu)成，各飛機(jī)間距均為其所在圓環(huán)的1/4弧長(zhǎng)，外環(huán)的高度在 0.9m 至 1m 之間來(lái)回變化，內(nèi)環(huán)的高度在1.2m 至 0.8m 間來(lái)回變化；在內(nèi)環(huán)的飛機(jī)沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，外環(huán)的飛機(jī)沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，飛機(jī)旋轉(zhuǎn)飛行的角速度相同；兩架飛機(jī)的最小間距可保持在 1m 以上的較為安全的距離。軌跡形狀如圖3所示。

隊(duì)形 4: 仿生鳥(niǎo)形

由4架飛機(jī)分別組成鳥(niǎo)的翅膀，4架飛機(jī)組成身體，翅膀在1.2m和0.8m間上下?lián)]動(dòng)，與此同時(shí)，組成身體的4架飛機(jī)也在0.9m 到 1.1m間變化，達(dá)到飛行的視覺(jué)效果。同時(shí)，仿生鳥(niǎo)繞軀干逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)飛行2圈，最終緩緩落地。在此隊(duì)形中，同一時(shí)刻兩飛機(jī)的距離始終保持在 1m 以上，維持機(jī)間安全距離。最終的軌跡形狀如圖4所示。

圖4 仿生鳥(niǎo)形軌跡

2 無(wú)人機(jī)多機(jī)飛行平臺(tái)的構(gòu)建

本文設(shè)計(jì)了一種新的無(wú)人機(jī)編隊(duì)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。系統(tǒng)由地面控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)處理平臺(tái)和無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)組成。運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)通過(guò)廣播交換機(jī)以組播的方式實(shí)時(shí)地將姿態(tài)傳送給地面控制站。無(wú)人機(jī)也可以通過(guò)WiFi(5G模塊)實(shí)時(shí)地將自己的狀態(tài)返饋到地面系統(tǒng)。地面控制站在這些反饋信息的基礎(chǔ)上，通過(guò)無(wú)人機(jī)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行任務(wù)進(jìn)行切換，并有選擇地將軌跡數(shù)據(jù)傳送給無(wú)人機(jī)，完成多架無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行。地面控制站還具有應(yīng)急處理機(jī)制、數(shù)據(jù)流量監(jiān)控等功能。

通過(guò)以上過(guò)程，我們可以完成無(wú)人機(jī)與地面控制系統(tǒng)的信息交互，保證多機(jī)編隊(duì)飛行的安全性和同時(shí)性。下面對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)的構(gòu)造進(jìn)行說(shuō)明。

2.1 無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)

為了穩(wěn)定地完成多架無(wú)人機(jī)的編隊(duì)飛行，需要有信息傳輸器、飛行控制器、執(zhí)行器等一系列綜合設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)多無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行較長(zhǎng)時(shí)間，硬件設(shè)備(電機(jī)、螺旋槳布線等)需要滿足重量輕、功耗低的要求。

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本試驗(yàn)使用的飛行控制器為pixhawk開(kāi)源飛行控制器，它是由3DR公司(最主流的飛行控制硬件制造商) 推出的新一代高級(jí)自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有良好的靈活性和可靠性。

由于無(wú)人機(jī)需要足夠的空間來(lái)搭載pixhawk飛控，無(wú)人機(jī)機(jī)身應(yīng)足夠大；而無(wú)人機(jī)飛行是在一個(gè)較為有限的空間，因此機(jī)身又不能太大?？紤]到這些要求，我們選擇了EX260型純碳纖維框架。

無(wú)線通信系統(tǒng)用于地面控制系統(tǒng)與無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)之間的通信?？紤]到試驗(yàn)的可行性，最后選擇了rs9113模塊的UART功能，在5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下互相交流。

圖6展示的就是組裝后的無(wú)人機(jī)。

圖6 組裝后的無(wú)人機(jī)

2.2 動(dòng)作捕捉系統(tǒng)

動(dòng)作捕捉系統(tǒng)是一種定位精度較高的定位系統(tǒng)，主要用于GPS無(wú)法定位的室內(nèi)環(huán)境。運(yùn)動(dòng)捕獲系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量和記錄室內(nèi)空間中無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡和姿態(tài)，并在仿真的三維空間中實(shí)時(shí)顯示無(wú)人機(jī)剛體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。本試驗(yàn)采用的是基于標(biāo)記點(diǎn)定位的OptiTrack光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，如圖7所示，由光學(xué)識(shí)別點(diǎn)(標(biāo)記點(diǎn))、動(dòng)作捕捉攝像頭、交換機(jī)和數(shù)據(jù)處理平臺(tái)的組成。

圖7 動(dòng)作捕捉系統(tǒng)

攝像機(jī)從不同角度記錄和跟蹤目標(biāo)標(biāo)記點(diǎn)，獲得無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。OptiTrack系統(tǒng)處理返回的數(shù)據(jù)，并設(shè)置無(wú)人機(jī)的坐標(biāo)和姿態(tài)，然后將它們發(fā)送到地面控制系統(tǒng)。

2.3 地面控制系統(tǒng)

ROS程序通常由許多功能模塊(即節(jié)點(diǎn))組成，節(jié)點(diǎn)之間的信息傳遞是通過(guò)發(fā)送和接收主題進(jìn)行的。

地面控制系統(tǒng)和單個(gè)UAV之間的主題和節(jié)點(diǎn)圖如圖8所示，整個(gè)控制系統(tǒng)由8組這樣的控制節(jié)點(diǎn)組合而成。圖中的節(jié)點(diǎn)將從運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)獲得的信息TF1轉(zhuǎn)換成實(shí)際坐標(biāo)系中的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)。

圖8中的efymul1節(jié)點(diǎn)用來(lái)與pixhawk飛行控制系統(tǒng)通過(guò)udp_mavlink協(xié)議進(jìn)行通信。uav_stop_node實(shí)現(xiàn)接收鍵盤(pán)輸入指令，然后選擇offb_node控制模式。其中mocap_node的功能是獲得運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)傳輸來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，即自身以及其他無(wú)人機(jī)的位置信息。

圖8 控制系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)

我們的控制站可以使無(wú)人機(jī)在固定數(shù)量的軌跡點(diǎn)上調(diào)整時(shí)間，然后在不同的軌道點(diǎn)間控制無(wú)人機(jī)的速度。接下來(lái)，我們將介紹如何跟蹤軌跡飛行點(diǎn)。

offb_node節(jié)點(diǎn)是地面控制系統(tǒng)的核心部分，其功能是跟蹤無(wú)人機(jī)軌跡點(diǎn)。此程序的流程圖如圖9所示。此方案運(yùn)行后，8架無(wú)人機(jī)同時(shí)進(jìn)入起飛階段。地面控制系統(tǒng)可以設(shè)定起飛階段的起點(diǎn)。首先，檢查它是否達(dá)到起飛階段的起點(diǎn)。如果沒(méi)有，則繼續(xù)飛向起點(diǎn)。如果無(wú)人機(jī)已到達(dá)飛行起始點(diǎn)，它們將進(jìn)入飛行模式選擇階段。

該程序設(shè)計(jì)了三種飛行模式。借助uav_stop_node的功能，我們可以通過(guò)鍵盤(pán)輸入來(lái)選擇飛行模式。按1鍵立即進(jìn)入著陸模式(模式1)：所有無(wú)人機(jī)下降到0.05m，然后降落。按2進(jìn)入軌跡跟隨模式(模式2)：所有的無(wú)人機(jī)進(jìn)行事先給出的一系列軌跡點(diǎn)的飛行。模式3不需要按鍵盤(pán)，在飛行過(guò)程中不斷地判斷多無(wú)人機(jī)的距離，如果在某一時(shí)刻兩無(wú)人機(jī)的距離小于0.7m，則所有的無(wú)人機(jī)自動(dòng)進(jìn)入緊急處理模式降落至地面。

模式2是正常編隊(duì)飛行模式，在該模式開(kāi)始時(shí)，每一架無(wú)人機(jī)飛向其整個(gè)軌跡的第一目標(biāo)點(diǎn)。在本次飛行中，連續(xù)地判斷無(wú)人機(jī)位置，如果距離目標(biāo)點(diǎn)未到達(dá)0.02m(可調(diào)大小)，則繼續(xù)朝這個(gè)目標(biāo)點(diǎn)飛行。如果距離達(dá)到0.02m，同時(shí)所有其他無(wú)人機(jī)到達(dá)當(dāng)前的目標(biāo)點(diǎn)(即同步)，那么所有無(wú)人機(jī)繼續(xù)跟蹤整個(gè)飛行軌跡的下一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)。隨后的編隊(duì)飛行有相同的過(guò)程，不斷地循環(huán)前進(jìn)，直到所有的無(wú)人機(jī)到達(dá)給定軌跡的最后一個(gè)點(diǎn)，最后進(jìn)入著陸過(guò)程。每個(gè)無(wú)人機(jī)保持XY坐標(biāo)不變，高度變成0.05m著陸。在飛行過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整軌跡點(diǎn)之間的距離來(lái)確定無(wú)人機(jī)的速度，同時(shí)通過(guò)軌跡點(diǎn)次序的統(tǒng)一來(lái)保持無(wú)人機(jī)的同步性。

圖9 軌跡跟蹤程序流程圖

3 飛行試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析

在本文中，我們按照規(guī)劃出的4種編隊(duì)隊(duì)形進(jìn)行了多次飛行試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)視頻記錄飛行效果。我們選取了幾次試驗(yàn)的飛行效果圖，如圖10所示。

從軌跡跟蹤效果、多自由度飛行速度和多無(wú)人機(jī)間距離等方面對(duì)比飛行試驗(yàn)，分析了編隊(duì)飛行的最終效果。

圖10 飛行效果圖片

3.1 軌跡跟隨

根據(jù)實(shí)際飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在matlab中再現(xiàn)編隊(duì)飛行路徑。圖11顯示了軌跡跟隨效果，表1是我們從試驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)。深色線是目標(biāo)飛行軌跡，淺色線是實(shí)際飛行軌跡。編隊(duì)飛行使用了8架無(wú)人機(jī)，因?yàn)樗鼈兊能壽E相似，其中一架無(wú)人機(jī)可以代表所有的無(wú)人機(jī)。這里我們根據(jù)1號(hào)無(wú)人機(jī)的飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行軌跡跟蹤分析。

圖11 軌跡跟隨效果

最大偏差X方向Y方向Z方向空間距離平均值單位:m0.14200.13400.08100.15600.0210

從圖片和表格信息中，我們可以分析出目標(biāo)軌跡與實(shí)際飛行在XYZ方向上的最大偏差為0.1340m，同一次序的軌跡點(diǎn)間最大距離偏差為0.1560m。在這樣的偏差下，無(wú)人機(jī)之間的距離大于0.9440m(1.1-0.156 = 0.944)，所以它可以使多無(wú)人機(jī)間保持安全距離。

3.2 速度數(shù)據(jù)分析

以一架無(wú)人機(jī)的飛行數(shù)據(jù)為代表，對(duì)所有無(wú)人機(jī)進(jìn)行軌跡速度的分析。圖12所示是無(wú)人機(jī)的速度曲線對(duì)比，淺色線是目標(biāo)速度曲線，深色線是實(shí)際速度曲線。

圖12 目標(biāo)速度與實(shí)際速度對(duì)比

通過(guò)對(duì)比實(shí)際飛行數(shù)據(jù)和目標(biāo)飛行數(shù)據(jù)，得到了表2的結(jié)果。

表2 速度效果對(duì)比

從圖表的數(shù)據(jù)中可以看出，實(shí)際飛行速度與目標(biāo)速度的極值差在0.2700m/s以內(nèi)，平均值可以視為相等。目標(biāo)速度和實(shí)際速度的平均誤差為0.0093m/s，可以總結(jié)得到，實(shí)際飛行速度可以很好地?cái)M合目標(biāo)速度，從而使無(wú)人機(jī)能夠根據(jù)目標(biāo)軌跡實(shí)現(xiàn)目標(biāo)速度。

3.3 多無(wú)人機(jī)間距離分析

圖13中8條曲線代表進(jìn)行軌跡規(guī)劃后，相鄰的兩架飛機(jī)間的距離，即1號(hào)和2號(hào)、2號(hào)和3號(hào)……8號(hào)和1號(hào)等等(在編隊(duì)飛行過(guò)程中，相鄰編號(hào)的軌跡距離為最小值)。由圖我們可以看出兩架飛機(jī)間的距離大于 1 m，距離最大值達(dá)到 5.50m，無(wú)人機(jī)間距離在1m到5.5m間不斷變換，最小的機(jī)間距離為 1 m且只保持很短一段時(shí)間。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到兩架飛機(jī)之間的距離平均值約為2.95 m，始終能保持遠(yuǎn)大于無(wú)人機(jī)軸間距的2倍(0.5 m)。由此可知，軌跡規(guī)劃后，任意兩架機(jī)間的距離都可以始終保持在較為安全的范圍，同時(shí)多無(wú)人機(jī)間螺旋槳的風(fēng)力影響可以近乎不計(jì)，提高了多機(jī)編隊(duì)飛行的可靠性。

3.4 試驗(yàn)總結(jié)

使用軌跡規(guī)劃后得到的多無(wú)人機(jī)軌跡進(jìn)行編隊(duì)飛行試驗(yàn)，從軌跡跟隨、速度、多機(jī)間距離三個(gè)方面對(duì)編隊(duì)飛行效果進(jìn)行分析。通過(guò)軌跡規(guī)劃可以使多無(wú)人機(jī)間的最小距離保持在 1m 以上，保持了多無(wú)人機(jī)之間的安全距離。通過(guò)軌跡規(guī)劃得到的多無(wú)人機(jī)編隊(duì)軌跡，借助搭建的飛行試驗(yàn)平臺(tái)以及地面站控制程序，可以較好地使無(wú)人機(jī)貼合預(yù)定的軌跡進(jìn)行編隊(duì)飛行,而不會(huì)因出現(xiàn)大幅度的晃動(dòng)而導(dǎo)致編隊(duì)飛行失敗。從整體的試驗(yàn)過(guò)程來(lái)看，本文使用的軌跡規(guī)劃以及搭建的試驗(yàn)平臺(tái)、軌跡跟隨控制程序，在軌跡跟隨、速度、多機(jī)間距離三個(gè)方面都滿足要求，可以較好地完成多無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行的任務(wù)。

圖13 兩架相鄰無(wú)人機(jī)間距離

4 總結(jié)

本文提出了一種軌跡規(guī)劃方法，并用這種方法設(shè)計(jì)了4種編隊(duì)隊(duì)形及起飛降落階段，搭建了無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)、動(dòng)作捕捉系統(tǒng)、地面站控制系統(tǒng)，編寫(xiě)軌跡跟隨程序。通過(guò)以上的工作能夠在保證多無(wú)人機(jī)間在安全距離(即避免碰撞的可能性)的同時(shí)完成多無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行的任務(wù)。

無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)約束是編隊(duì)飛行的重要組成部分，當(dāng)前考慮的運(yùn)動(dòng)約束條件相對(duì)簡(jiǎn)單，在實(shí)際應(yīng)用中可能導(dǎo)致編隊(duì)飛行的失敗。為了解決這一問(wèn)題，我們將在未來(lái)的研究中完善無(wú)人機(jī)的軌跡規(guī)劃，以滿足無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行的穩(wěn)定性和安全性。