謝文雅，徐庶，于鵬飛，王忠，方宜武，田琪，陳飛，黃曉巍

（中國(guó)電子科技南湖研究院，浙江嘉興 314002）

0 引言

3架及以上無人機(jī)編隊(duì)飛行共同完成特定任務(wù)，相對(duì)單個(gè)無人機(jī)具有可靠性強(qiáng)、解決問題能力強(qiáng)的特點(diǎn)。多年以來已有大量文獻(xiàn)對(duì)無人機(jī)編隊(duì)飛行的控制算法進(jìn)行了大量深入的研究，也有部分文獻(xiàn)對(duì)編隊(duì)飛行可視化仿真方法進(jìn)行了一定的探索。

文獻(xiàn)[1]采用PID控制和遺傳算法對(duì)固定翼無人機(jī)編隊(duì)飛行控制進(jìn)行了數(shù)值仿真與研究；文獻(xiàn)[2]針對(duì)無人機(jī)編隊(duì)飛行利用基于X-Plane的硬件在環(huán)設(shè)計(jì)了一套無人機(jī)編隊(duì)飛行快速試驗(yàn)系統(tǒng)；文獻(xiàn)[3]為了縮小編隊(duì)飛行理論研究與實(shí)際應(yīng)用的差距，設(shè)計(jì)了一種智能仿真系統(tǒng)；文獻(xiàn)[4]利用MilkShape 3D構(gòu)造無人機(jī)模型，然后將模型加載到場(chǎng)景中，設(shè)計(jì)了一種編隊(duì)飛行仿真平臺(tái)；文獻(xiàn)[5]、[6]利用3D可視化工具Unity對(duì)旋翼無人機(jī)編隊(duì)飛行進(jìn)行了可視化仿真與研究；文獻(xiàn)[7]、[8]利用FlightGear對(duì)小型固定翼無人機(jī)進(jìn)行了可視化飛行仿真。

根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研情況，目前對(duì)固定翼無人機(jī)編隊(duì)飛行控制算法的理論研究較多，但可用于編隊(duì)飛行控制算法仿真驗(yàn)證的方法較少，目前仍在探索如何提供一種快捷、可靠、直觀的仿真方法，從而幫助編隊(duì)飛行算法的快速驗(yàn)證與迭代。

有少量文獻(xiàn)探索使用Unity或FlightGear對(duì)無人機(jī)編隊(duì)飛行進(jìn)行可視化仿真，能夠一定程度上實(shí)現(xiàn)可視化渲染效果，但這兩個(gè)工具相對(duì)虛幻引擎的渲染效果與逼真度相對(duì)較差，且需設(shè)置的參數(shù)較多，不利于控制算法的快速驗(yàn)證與迭代。很少有文獻(xiàn)采用SIMULINK和虛幻引擎對(duì)固定翼無人機(jī)編隊(duì)飛行進(jìn)行可視化仿真。本文提出的基于SIMULINK和虛幻引擎的固定翼無人機(jī)可視化編隊(duì)飛行仿真與驗(yàn)證方法，能夠快捷、可靠、直觀地用于固定翼無人機(jī)編隊(duì)飛行算法的仿真與驗(yàn)證工作，有助于編隊(duì)飛行算法的快速設(shè)計(jì)與驗(yàn)證迭代，具有一定的先進(jìn)性和創(chuàng)新性，對(duì)相關(guān)研究工作具有一定的借鑒意義。

1 編隊(duì)飛行設(shè)計(jì)

本文采用SIMULINK中UAV Toolbox工具箱作為底層功能模塊。該工具箱包含的Guidance Model模塊，集成了無人機(jī)模型和自動(dòng)駕駛儀模型，形成了小型固定翼無人機(jī)閉環(huán)引導(dǎo)系統(tǒng)。Guidance Model模塊的模塊圖如圖1所示。

圖1 Guidance Model模塊圖

Guidance Model模塊有兩個(gè)輸入和一個(gè)輸出。輸入分別為引導(dǎo)控制量Control和飛機(jī)環(huán)境量Environment，輸出為飛機(jī)的飛行狀態(tài)量State。其中，輸入量Control為包含目標(biāo)高度、目標(biāo)空速和目標(biāo)滾轉(zhuǎn)角三個(gè)控制指令的控制總線輸入量，用于引導(dǎo)和控制飛機(jī)完成水平和垂直方向的飛行任務(wù)；輸入量Environment為包含北向風(fēng)速、東向風(fēng)速、地向風(fēng)速和重力加速度4個(gè)量的飛行環(huán)境控制量，用于設(shè)定飛機(jī)飛行環(huán)境中的風(fēng)速和重力因素，模擬對(duì)飛機(jī)飛行的影響；輸出量State為包含8個(gè)飛行狀態(tài)量的總線輸出量，8個(gè)飛行狀態(tài)分別為北向位置、東向位置、高于地面的飛行高度、空速、航向角、飛行路徑角、滾轉(zhuǎn)角和滾轉(zhuǎn)角速率。在地面坐標(biāo)系下，無人機(jī)的各狀態(tài)量計(jì)算公式為：

式中：xe、ye和h分別為無人機(jī)在地面坐標(biāo)系的位置和高度，χ、γ和φ分別為無人機(jī)的航向角、飛行路徑角和滾轉(zhuǎn)角，Va和Vg分別為無人機(jī)的空速和地速，上標(biāo)c表示目標(biāo)指令command。

本文采用3架無人機(jī)組成編隊(duì)飛行機(jī)群，其中一架無人機(jī)為長(zhǎng)機(jī)，兩架為僚機(jī)。編隊(duì)飛行過程中僚機(jī)跟隨長(zhǎng)機(jī)，保持隊(duì)形飛行，并完成隊(duì)形變換任務(wù)。隊(duì)形圖如圖2所示。

圖2 無人機(jī)編隊(duì)飛行隊(duì)形圖

編隊(duì)飛行開始，無人機(jī)群保持隊(duì)形1飛行；然后由隊(duì)形1變換為隊(duì)形2飛行，僚機(jī)1向右滾轉(zhuǎn)，僚機(jī)2向左滾轉(zhuǎn)，到達(dá)隊(duì)形2的指定位置；最后無人機(jī)群由隊(duì)形2變換為隊(duì)形3，僚機(jī)1縮短和長(zhǎng)機(jī)的距離，保持緊湊隊(duì)形，同時(shí)飛行高度調(diào)整至高于長(zhǎng)機(jī)，無人機(jī)2則和長(zhǎng)機(jī)保持平行飛行，同時(shí)飛行高度由高于長(zhǎng)機(jī)飛至低于長(zhǎng)機(jī)。

為實(shí)現(xiàn)上述隊(duì)形，需要設(shè)計(jì)縱向控制指令、側(cè)向控制指令和法向控制指令。

縱向控制指令為目標(biāo)空速，根據(jù)PID控制原理，目標(biāo)空速計(jì)算為

式中：kp、ki、kd和kf分別為比例增益、積分增益、微分增益和前饋增益，xerr為位置誤差，Vzj為長(zhǎng)機(jī)的空速狀態(tài)量。

側(cè)向控制指令為目標(biāo)滾轉(zhuǎn)角，根據(jù)串級(jí)PID，計(jì)算過程如下。

首先計(jì)算目標(biāo)側(cè)向空速：

其次由側(cè)速偏差計(jì)算目標(biāo)側(cè)加速度：

最后計(jì)算目標(biāo)滾轉(zhuǎn)角：

法向控制指令為目標(biāo)高度，因此直接根據(jù)長(zhǎng)機(jī)高度狀態(tài)量和期望隊(duì)形，計(jì)算得到僚機(jī)目標(biāo)高度值，作為僚機(jī)的法向控制指令。

2 可視化仿真設(shè)計(jì)

采用UAV Toolbox 工具箱的Simulation 3D UAV Vehicle模塊實(shí)時(shí)仿真固定翼無人機(jī)的飛行狀態(tài)，該模塊會(huì)根據(jù)其兩個(gè)輸入端變量Translation和Rotation所代表的位置向量和姿態(tài)角向量，模擬出一個(gè)無人機(jī)，并把模擬的無人機(jī)放置到3D可視化環(huán)境中。該模塊的模塊圖如圖3所示。

圖3 Simulation 3D UAV Vehicle模塊圖

采用UAV Toolbox工具箱的Simulation 3D Scene Configuration模塊來生成可視化場(chǎng)景。該模塊的功能是實(shí)現(xiàn)一個(gè)3D仿真環(huán)境。該模塊的模塊圖如圖4所示。

圖4 Simulation 3D Scene Configuration模塊圖

Simulation 3D Scene Configuration模塊的場(chǎng)景來源可以有3種：默認(rèn)場(chǎng)景、虛幻可執(zhí)行文件和虛幻編輯器。本文使用默認(rèn)的US city block場(chǎng)景。

3 仿真模型搭建

搭建編隊(duì)飛行長(zhǎng)機(jī)的可視化仿真模型（如圖5）。

圖5 長(zhǎng)機(jī)可視化仿真模型

僚機(jī)模型和長(zhǎng)機(jī)模型類似，只需按數(shù)學(xué)模型搭建控制指令即可，此處僅給出僚機(jī)1的側(cè)向控制指令仿真模型如圖6所示。

圖6 僚機(jī)1側(cè)向控制指令仿真模型

其中輸入1為長(zhǎng)機(jī)位置的East分量，輸入2為僚機(jī)1位置的East分量，輸出1位僚機(jī)1的目標(biāo)滾轉(zhuǎn)角控制指令。

4 仿真結(jié)果與分析

以僚機(jī)1為可視化場(chǎng)景視角，隊(duì)形1的可視化仿真結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看到位于僚機(jī)1右前方的長(zhǎng)機(jī)和僚機(jī)2。

圖7 編隊(duì)飛行隊(duì)形1仿真圖

圖8所示為無人機(jī)編隊(duì)由隊(duì)形1變換到隊(duì)形2的過渡狀態(tài)，僚機(jī)1向右滾轉(zhuǎn)，僚機(jī)2向左滾轉(zhuǎn)。

圖8 隊(duì)形1變換為隊(duì)形2的過渡狀態(tài)

圖9所示為隊(duì)形2的可視化仿真結(jié)果。由圖9可以看到位于僚機(jī)1正前方長(zhǎng)機(jī)和位于僚機(jī)1左前方的僚機(jī)2。

圖9 編隊(duì)飛行隊(duì)形2仿真圖

圖10所示為無人機(jī)編隊(duì)由隊(duì)形2變換到隊(duì)形3的過渡狀態(tài)，僚機(jī)1開始爬升，僚機(jī)2開始下降。

圖10 隊(duì)形2變換為隊(duì)形3的過渡狀態(tài)

圖11所示為隊(duì)形3的可視化仿真結(jié)果。

圖11 編隊(duì)飛行隊(duì)形3仿真圖

由圖11可以看到位于僚機(jī)1正前方的長(zhǎng)機(jī)，且二者距離相對(duì)隊(duì)形2較小。僚機(jī)2位于僚機(jī)1的左前方，且二者距離相對(duì)隊(duì)形2較小。同時(shí)僚機(jī)1 的高度最高，僚機(jī)2的高度最低。

以上各圖展示了固定翼無人機(jī)編隊(duì)飛行的可視化場(chǎng)景，可以真實(shí)而直觀地將編隊(duì)飛行算法渲染出來，有助于更好地設(shè)計(jì)與驗(yàn)證編隊(duì)飛行算法。

編隊(duì)飛行可視化仿真的定量數(shù)據(jù)結(jié)果如圖12所示。

圖12 編隊(duì)飛行定量仿真數(shù)據(jù)

由圖12可知，僚機(jī)1在10 s內(nèi)完成了由隊(duì)形1到隊(duì)形2的變換，變換過程平滑無超調(diào)無誤差，無人機(jī)具有良好的側(cè)向位置響應(yīng)特性；且當(dāng)前側(cè)速和目標(biāo)側(cè)速變化曲線貼合度較高，無人機(jī)具有良好的側(cè)速響應(yīng)特性。僚機(jī)1在10 s內(nèi)完成了由隊(duì)形2到隊(duì)形3的變換，變換過程平滑無超調(diào)無誤差，無人機(jī)具有良好的縱向位置響應(yīng)特性；且當(dāng)前空速和目標(biāo)空速變化曲線貼合度較高，無人機(jī)具有良好的空速響應(yīng)特性。

5 結(jié)論

通過場(chǎng)景分析和數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證了本文提出的基于SIMULINK和虛幻引擎的固定翼無人機(jī)可視化編隊(duì)飛行仿真與驗(yàn)證方法，能夠快捷、可靠、直觀地用于固定翼無人機(jī)編隊(duì)飛行算法的仿真與驗(yàn)證工作，有助于編隊(duì)飛行算法的快速設(shè)計(jì)與驗(yàn)證迭代，具有一定的先進(jìn)性和創(chuàng)新性，對(duì)相關(guān)研究工作具有一定的借鑒意義。