精選無(wú)人機(jī)“蜂群”協(xié)同控制與自主避技術(shù)

精選無(wú)人機(jī)“蜂群〞協(xié)同控制與自主避技術(shù)干貨分享|無(wú)人機(jī)“蜂群〞協(xié)同控制與自主避技術(shù)概述隨著常規(guī)無(wú)人機(jī)技術(shù)逐漸成熟，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)〔UAS〕的開(kāi)展潮流轉(zhuǎn)向集群化、特異化。為了在戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)略層面重新獲得非對(duì)稱優(yōu)勢(shì)，美國(guó)國(guó)防部REF_Ref1395\r\h、美國(guó)空軍分別提出了未來(lái)假設(shè)干年無(wú)人系統(tǒng)開(kāi)展規(guī)劃，其中以小型無(wú)人機(jī)組成“蜂群〞執(zhí)行任務(wù)是重點(diǎn)開(kāi)展方向之一。為了使用無(wú)人機(jī)蜂群進(jìn)行諸如協(xié)同偵查、協(xié)同打擊任務(wù)，蜂群需具備良好的整體行為控制能力，保證其在飛行過(guò)程中能夠保持蜂群構(gòu)型的穩(wěn)定、蜂群成員間的平安距離，并自主躲避飛行路線上的動(dòng)靜態(tài)障礙物，因此無(wú)人機(jī)“蜂群〞協(xié)同控制與自主避障是最根底的核心技術(shù)。針對(duì)這一需求，恒潤(rùn)科技集團(tuán)北京潤(rùn)科通用技術(shù)有限公司〔以下簡(jiǎn)稱“潤(rùn)科通用〞〕自主研發(fā)并成功攻關(guān)無(wú)人機(jī)蜂群協(xié)同控制與自主避障技術(shù)，可以提供核心算法協(xié)助客戶實(shí)現(xiàn)蜂群控制能力、戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)略任務(wù)效能仿真能力。無(wú)人機(jī)“蜂群〞協(xié)同控制與自主避障技術(shù)特點(diǎn)無(wú)人機(jī)蜂群協(xié)同控制與自主避障技術(shù)聚焦兩個(gè)及以上無(wú)人機(jī)的編隊(duì)構(gòu)型控制、自主避障等問(wèn)題，自主實(shí)現(xiàn)蜂群無(wú)人機(jī)各成員間導(dǎo)航與控制，使得蜂群成為一個(gè)整體執(zhí)行上層系統(tǒng)分配的任務(wù)。無(wú)人機(jī)蜂群協(xié)同控制與自主避障技術(shù)的特點(diǎn)包括：對(duì)蜂群的控制只需類似單機(jī)無(wú)人機(jī)的簡(jiǎn)單指令蜂群可以自動(dòng)躲避動(dòng)靜態(tài)障礙物防止蜂群成員間自主避撞蜂群可以再拆分成小蜂群執(zhí)行多個(gè)任務(wù)蜂群成員通信拓?fù)鋭?dòng)態(tài)可變，且僅需臨近通信能力可保證蜂群成員間運(yùn)動(dòng)的一致性蜂群無(wú)需領(lǐng)航者，魯棒性強(qiáng)系統(tǒng)算法適用于任意數(shù)量無(wú)人機(jī)成員可應(yīng)用于二維平面編隊(duì)和三維立體編隊(duì)潤(rùn)科通用研發(fā)的無(wú)人機(jī)蜂群協(xié)同控制與自主避障技術(shù)基于Matlab/Simulink進(jìn)行算法建模，算法在數(shù)字環(huán)境下進(jìn)行充分仿真驗(yàn)證，保證算法的有效性與魯棒性?；贛atlab/Simulink得到的算法模型可以通過(guò)代碼自動(dòng)生成的方式自動(dòng)生成C、C++等形式的實(shí)時(shí)代碼，并將其應(yīng)用于半物理仿真及真實(shí)飛控計(jì)算機(jī)中。無(wú)人機(jī)蜂群協(xié)同控制與自主避障技術(shù)包括三個(gè)核心功能：蜂群構(gòu)型控制、蜂群自主避障、蜂群任務(wù)分配。無(wú)人機(jī)蜂群編隊(duì)構(gòu)型控制無(wú)人機(jī)蜂群編隊(duì)構(gòu)型控制算法以圖論為理論根底，以編隊(duì)成員趨近、同速、避撞為根本原那么，實(shí)現(xiàn)編隊(duì)構(gòu)型的一致性控制。編隊(duì)構(gòu)型控制分兩種方式：固定構(gòu)型編隊(duì)；空間自由編隊(duì)。固定構(gòu)型編隊(duì)當(dāng)無(wú)人機(jī)成員數(shù)量較少時(shí)，一般選擇固定構(gòu)型編隊(duì)，包括：線型構(gòu)型〔一字構(gòu)型〕；人字形構(gòu)型；三角形構(gòu)型；鉆石型等。此外，可以根據(jù)需求進(jìn)行任意編隊(duì)構(gòu)型的定制開(kāi)發(fā)。例如下列圖為線型構(gòu)型編隊(duì)的示意圖。編隊(duì)包含7個(gè)無(wú)人機(jī)成員，仿真開(kāi)始時(shí)，各個(gè)成員處于隨機(jī)分配的位置，仿真開(kāi)始后首先形成編隊(duì)構(gòu)型，然后在后續(xù)的飛行中保持編隊(duì)構(gòu)型。圖SEQ圖\*ARABIC1線型構(gòu)型編隊(duì)平面飛行軌跡顯示圖SEQ圖\*ARABIC2編隊(duì)構(gòu)型形成圖SEQ圖\*ARABIC3編隊(duì)構(gòu)型保持空間自由編隊(duì)空間自由編隊(duì)模式下，無(wú)人機(jī)更成員間的相對(duì)位置關(guān)系根據(jù)指定的勢(shì)函數(shù)確定，穩(wěn)定編隊(duì)構(gòu)型形成后，成員間以正三角形〔二維空間編隊(duì)〕或正四面體〔三維空間編隊(duì)〕為根本單元組成整體。在空間自由編隊(duì)模式下，編隊(duì)成員間的通信拓?fù)涫莿?dòng)態(tài)變化，無(wú)人機(jī)僅對(duì)其周圍一定范圍內(nèi)的成員具有通信能力，而無(wú)需全局通信能力，對(duì)通信系統(tǒng)友好，因此具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。圖SEQ圖\*ARABIC4形成穩(wěn)定編隊(duì)構(gòu)型后的相對(duì)位置示意圖〔平面〕例如——二維蜂群仿真 下列圖給出蜂群成員為50的二維平面蜂群仿真結(jié)果。圖中藍(lán)色曲線為無(wú)人機(jī)蜂群飛行軌跡，黑色透明圈是所標(biāo)注時(shí)刻仿真曲線剖面，箭頭所指為局部放大圖，紅色曲線為蜂群整體導(dǎo)航指令。初始時(shí)刻蜂群成員位置隨機(jī)給定，隨著仿真進(jìn)行蜂群構(gòu)型逐漸形成，經(jīng)過(guò)60s后形成穩(wěn)定構(gòu)型并在后續(xù)的時(shí)間中保持構(gòu)型。圖SEQ圖\*ARABIC8平面蜂群編隊(duì)構(gòu)型 例如——三維大蜂群仿真 下面給出蜂群成員數(shù)量為200時(shí)的仿真結(jié)果。蜂群構(gòu)型的形成和穩(wěn)定保持過(guò)程與前一例如根本相同，不再詳細(xì)給出。圖SEQ圖\*ARABIC7三維空間蜂群編隊(duì)構(gòu)型無(wú)人機(jī)蜂群自主避障無(wú)人機(jī)蜂群自主避障功能實(shí)現(xiàn)蜂群整體對(duì)各類動(dòng)靜態(tài)障礙的躲避，蜂群在該指令控制下實(shí)現(xiàn)蜂群整體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的改變，如控制蜂群按指定航路點(diǎn)飛低目的地，并在飛行過(guò)程蜂群能夠躲避障礙區(qū)域或敵方單位。無(wú)人機(jī)蜂群自主避障基于勢(shì)函數(shù)方法設(shè)計(jì)，蜂群不進(jìn)行顯式的航路規(guī)劃，而是將障礙區(qū)域/敵方單位設(shè)置為斥力源，當(dāng)蜂群靠近斥力源時(shí)將生成偏離指令，制導(dǎo)蜂群避障。 例如——?jiǎng)討B(tài)靜態(tài)障礙下列圖給出包含動(dòng)態(tài)和靜態(tài)障礙區(qū)域的蜂群避障仿真結(jié)果。圖中藍(lán)色曲線為蜂群飛行軌跡，黑色圓圈為靜態(tài)障礙區(qū)域，紅色曲線為蜂群飛行指令，綠色為動(dòng)態(tài)障礙區(qū)域中心運(yùn)動(dòng)軌跡，綠色透明圓為某一時(shí)刻動(dòng)態(tài)障礙區(qū)所在位置。由圖可見(jiàn)，無(wú)人機(jī)蜂群在跟蹤指令的過(guò)程中，能夠保持蜂群構(gòu)型，并成功躲避動(dòng)態(tài)與靜態(tài)障礙物。動(dòng)態(tài)仿真過(guò)程參見(jiàn)如下視頻內(nèi)容，由視頻可見(jiàn)，在運(yùn)動(dòng)到航線最右側(cè)時(shí)，由于動(dòng)態(tài)障礙速度過(guò)快，當(dāng)蜂群編隊(duì)與其相遇時(shí)，躲避動(dòng)作使隊(duì)形沖散，且有局部蜂群成員進(jìn)入動(dòng)態(tài)障礙區(qū)，該局部表達(dá)出針對(duì)不同環(huán)境條件，需要進(jìn)行避障算法參數(shù)的調(diào)整，以平衡蜂群構(gòu)型保持傾向和避障傾向。圖SEQ圖\*ARABIC11無(wú)人機(jī)蜂群障礙躲避無(wú)人機(jī)蜂群任務(wù)分配無(wú)人機(jī)蜂群可以分解為假設(shè)干小蜂群分別執(zhí)