魏文龍

無人機集群編隊控制算法實現(xiàn)

魏文龍

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

無人機的編隊控制是無人機集群協(xié)同作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)。從工程實踐的角度出發(fā)，比較了各種編隊控制方法的優(yōu)劣后采用領(lǐng)航—跟隨法進行無人機的編隊控制；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現(xiàn)算法，使用不同的編隊隊形對領(lǐng)航—跟隨法進行了驗證，實驗結(jié)果表明該算法在隊形保持控制上的可用性和穩(wěn)定性。

編隊控制；領(lǐng)航—跟隨法；比例—積分—微分控制器

0 引言

目前主流的無人機隊形控制方法[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，不同方法適合不同場景[3]。

領(lǐng)航—跟隨法是目前多無人機編隊控制中最常用的方法之一。該方法將編隊問題轉(zhuǎn)化為經(jīng)典控制理論中的誤差跟蹤問題，具有較強的擴展性，編隊控制工程實現(xiàn)比較容易，對硬件資源要求較低，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定義無人機的幾種基本控制行為，對定義的幾種行為進行加權(quán)得到編隊控制方法。缺點是群體行為很難定義，難以用數(shù)學方法分析，靈活性和穩(wěn)定性不足；虛擬結(jié)構(gòu)法將編隊假想為一個虛擬的剛體結(jié)構(gòu)，整個編隊中的每架無人機均被視為其結(jié)構(gòu)上的一個固定節(jié)點。虛擬結(jié)構(gòu)法存在不可忽略的問題，比如運動單一難以滿足實際需求，實現(xiàn)難度高等。

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

1 領(lǐng)航—跟隨算法的原理與實現(xiàn)

在領(lǐng)航—跟隨法的編隊保持算法里，選擇無人機集群中某一個無人機作為領(lǐng)航者，領(lǐng)航者相當于整個機群的領(lǐng)隊，是集群中其余無人機飛行過程中的參考目標，對無人機集群的隊形控制起著重要作用，無人機集群中的其他無人機相當于跟隨者，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)整二者相對距離的編隊方式。

使用領(lǐng)航—跟隨法中的—方法設(shè)計實現(xiàn)編隊保持控制，選擇控制簡單、抗干擾較強的比例—積分—微分（Proportional-Integral-Derivative，PID）控制器具體實現(xiàn)編隊隊形保持控制。編隊飛行集群中多個跟隨者跟隨領(lǐng)航者的動作，保持對應(yīng)隊形預(yù)設(shè)的相對位置，飛行高度提前預(yù)設(shè)，因此編隊只需要保持水平相對位置即可，水平位置保持可分為橫向位置控制和縱向位置控制。在整個無人機集群中領(lǐng)航者作為長機，其余跟隨者作為僚機。

得到速度期望，通過無人機的自駕儀進行執(zhí)行控制，實現(xiàn)僚機相對長機前后向的位置保持。

通過PID控制器可得到僚機的期望的橫向過載，形式如式（4）所示：

得到期望橫向過載，通過飛機的自駕儀進行執(zhí)行控制，實現(xiàn)僚機相對長機左右向的位置保持。

對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自駕儀執(zhí)行控制，因此僚機垂直通道的輸入為長機的實時高度，不需要編隊控制器參與控制。

2 集群編隊保持控制方案設(shè)計

本文采用軟件仿真的方式對集群編隊保持控制，進行方案設(shè)計與具體實現(xiàn)，無人機集群控制由地面控制站和無人機集群兩部分組成[5]，其中地面控制站軟件負責航跡規(guī)劃、編隊控制、任務(wù)管理及無人機狀態(tài)監(jiān)測等工作，并將指令信息發(fā)送給無人機集群仿真軟件，無人機集群仿真軟件到地面控制站軟件信息后根據(jù)信息內(nèi)容進行具體動作并將自身信息回傳給地面站軟件，地面控制站軟件與無人機集群仿真軟件之間具體工作過程如圖1所示。

圖1 無人機集群編隊流程圖

本文采用領(lǐng)航—跟隨法來實現(xiàn)集群編隊控制，因此對于無人機集群來說存在長機、僚機區(qū)分。任務(wù)開始執(zhí)行后，長機的主要職責是根據(jù)地面控制站裝訂的任務(wù)進行飛行，并實時廣播自身的三維位置和三維速度數(shù)據(jù)給僚機，當有其他臨時任務(wù)時，分配任務(wù)給相應(yīng)的僚機。僚機的主要職責是根據(jù)預(yù)裝訂的隊形參數(shù)和長機實時廣播的三維位置及三維速度數(shù)據(jù)保持與長機同步飛行，并響應(yīng)長機分配的臨時任務(wù)。

編隊控制方法主要通過編隊形成、編隊變化恢復(fù)、編隊保持三個方面評估可用性[6]。面對不同的任務(wù)剖面、環(huán)境約束或者任務(wù)變化，例如：多無人機編隊飛行執(zhí)行任務(wù)時，需要對敵機、建筑物等較大障礙物進行避障，集群可以通過變換隊形高效安全地完成任務(wù)。因此，編隊保持的穩(wěn)定性是無人機編隊控制技術(shù)的評價指標與基礎(chǔ)。

3 軟件仿真試驗

首先打開無人機集群仿真軟件并設(shè)置無人機數(shù)量后開始仿真，然后打開地面站軟件，在地面站軟件中導(dǎo)入跟蹤參數(shù)和航點信息。

無人機飛行過程中不同隊形跟蹤參數(shù)如表1～表4所示。

無人機編隊飛行時默認為豎一字形隊形，該種編隊方法中領(lǐng)航者和跟隨者方向位置一致，方向通過控制算法使實際跟蹤距離與預(yù)設(shè)跟蹤的誤差在一定范圍之內(nèi)，仿真隊形圖如圖2所示。

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

表1 豎一字隊形跟蹤參數(shù)設(shè)置（單位：m）

表2 橫一字隊形跟蹤參數(shù)設(shè)置（單位：m）

圖2 豎一字隊形

圖3 橫一字隊形

表3 人字隊形跟蹤參數(shù)設(shè)置（單位：m）

人字形隊形中跟隨機對稱分布在領(lǐng)航者左右，具體隊形如圖4所示。

圖4 人字隊形

表4 橫二字隊形跟蹤參數(shù)設(shè)置（單位：m）

橫二字隊形如圖5所示。

圖5 橫二字隊形

對上述四種隊形中仿真參數(shù)選取人字隊形進行數(shù)據(jù)分析，使用該隊形數(shù)據(jù)同時對無人機的、坐標誤差進行分析。在所有無人機數(shù)據(jù)中分別選擇離長機較近的2號無人機、中等距離的9號無人機、較遠距離的14號無人機數(shù)據(jù)為代表驗證算法穩(wěn)定性，其坐標仿真圖分別如圖6～圖8所示。

圖6 人字隊形2號機坐標仿真圖

圖7 人字隊形9號機坐標仿真

圖8 人字隊形14號機坐標仿真

從圖6～圖8中可以驗證，無論是跟隨無人機距離還是領(lǐng)航無人機距離，其大小算法具有一致性，與表3設(shè)置仿真參數(shù)對比，各跟隨無人機坐標位置在設(shè)定跟蹤參數(shù)附近震蕩，誤差基本在0.15 m以內(nèi)，驗證了該算法在無人機編隊中的可用性。

4 結(jié)語

基于PID控制器的領(lǐng)航—跟隨法具有編隊響應(yīng)快速和控制器實現(xiàn)方式簡單的特點。通過實際軟件仿真驗證了該方法的穩(wěn)定性，不同編隊隊形下跟蹤距離誤差較小，誤差收斂較快，長時間飛行過程中可以保持預(yù)期隊形完成飛行任務(wù)。

[1] 樊瓊劍，楊忠，方挺，等. 多無人機協(xié)同編隊飛行控制的研究現(xiàn)狀[J]. 航空學報，2009，30（04）：683-691.

[2] 袁利平，陳宗基，周銳，等. 多無人機同時到達的分散化控制方法[J]. 航空學報，2010，31（04）：797-805.

[3] 陳新泉. 四旋翼無人機飛控系統(tǒng)設(shè)計與研究[D]. 南昌：南昌航空大學，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，2014.

[5] 李俊，李運堂. 四旋翼飛行器的動力學建模及 PID 控制[J]. 遼寧工程技術(shù)大學學報（自然科學版），2012，31（01）：14-117.

[6] 嵇亮亮. 無人機的導(dǎo)引及協(xié)同編隊飛行控制技術(shù)研究[D]. 南京：南京航空航天大學，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，主要研究方向為衛(wèi)星導(dǎo)航與無人機控制。