無人機(jī)編隊(duì)綜合實(shí)驗(yàn)與分析綜合飛行實(shí)驗(yàn)

無人機(jī)編隊(duì)綜合實(shí)驗(yàn)與分析綜合飛行實(shí)驗(yàn)

1.1.1編隊(duì)通信測試

通信鏈路是無人機(jī)編隊(duì)系統(tǒng)的極其重要的一環(huán),直接影響到編隊(duì)飛行的穩(wěn)定性和精確性,

因此在編隊(duì)起飛前需要對編隊(duì)通信鏈路進(jìn)行測試，根據(jù)2.3.3節(jié)設(shè)計(jì)的編隊(duì)通信網(wǎng)絡(luò)，本節(jié)

的通信測試分為兩部分：一是機(jī)間Mesh網(wǎng)絡(luò)通信測試；二是各無人機(jī)與地面站之間的PMP

模式通信測試。

Mesh通信網(wǎng)絡(luò)測試的方法為:將所有無人機(jī)設(shè)備上電,對飛控模塊進(jìn)行串口打印測試，

打印的數(shù)據(jù)顯示在Ubuntul6.04的終端窗口中。本文試飛的無人機(jī)數(shù)量為3架，以2號機(jī)為

例進(jìn)行分析。機(jī)間通信主要為了獲取鄰居節(jié)點(diǎn)攜帶的信息，解包后可以獲取到每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)

的姿態(tài)、速度、位置、長機(jī)標(biāo)志位等數(shù)據(jù)。圖5.14給出了2號機(jī)接收信息的解包數(shù)據(jù)，從

測試結(jié)果可以看出機(jī)間Mesh網(wǎng)絡(luò)通信暢通穩(wěn)定。

Eengxu@zengxu-X542UN:-/paper_test$./a.out

無人機(jī)ID：2

郃居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)：2

通信質(zhì)量：2。。%

鄰居節(jié)點(diǎn)1數(shù)據(jù)：

無人機(jī)ID：1

長機(jī)標(biāo)志位：1

滾轉(zhuǎn)俯仰偏航：-1.232.16136.45

北東拽速度VNVEVD：0.02-0.130.05

經(jīng)緯高：119.42164231.563994-1.63

鄰居節(jié)點(diǎn)2數(shù)據(jù)：

無人機(jī)ID：3

長機(jī)標(biāo)志位：。

滾轉(zhuǎn)俯仰偏航：2.46-1.63179.60

北東拽速度VNVEVD：O.0O0.04-0.12

經(jīng)緯高：119.42164331.5639958.71

圖5.142號機(jī)接收數(shù)據(jù)串口打印

PMP模式測試方法為：通過P900數(shù)傳將每架飛機(jī)連入地面站，地面站根據(jù)上行和下行

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果以及Mavlink數(shù)據(jù)包序號和發(fā)送頻率計(jì)算得到如圖5.15所示的鏈接統(tǒng)計(jì)。

在地面站切換不同的無人機(jī)ID可以看到每一架連入無人機(jī)的鏈接統(tǒng)計(jì)。圖5.15為2號機(jī)連

入地面站的鏈接統(tǒng)計(jì)，從測試結(jié)果來看，2號機(jī)的上行鏈路和下行鏈路均工作正常。其他兩

架飛機(jī)的測試結(jié)果也顯示工作正常，在此不作過多介紹。

下載------------------------------「上傳------------------

字節(jié)*55.52K字節(jié)人2.16K字節(jié)總數(shù)5.73K

數(shù)據(jù)包13998數(shù)據(jù)包/s66字節(jié)/$21

蕓包質(zhì)里100%

QMavlinJc2

數(shù)據(jù)包之間的最大時(shí)同Gs)447

■Signing

圖5.15鏈接統(tǒng)計(jì)

1.1.2編隊(duì)集結(jié)與隊(duì)形保持實(shí)驗(yàn)

本文編隊(duì)集結(jié)和隊(duì)形保持的實(shí)驗(yàn)流程為先依次自動(dòng)起飛所有無人機(jī)，待所有無人機(jī)到達(dá)

安全高度后，地面站發(fā)送開始編隊(duì)指令，此時(shí)各無人機(jī)會(huì)先集結(jié),集結(jié)完成后保持隊(duì)形飛行。

實(shí)驗(yàn)的主要參數(shù)如表5.3。

表5.3主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)

參數(shù)名稱參數(shù)大小

無人機(jī)數(shù)量3

無人機(jī)飛行高度200m

編隊(duì)隊(duì)形三角形

隊(duì)形間距100m

實(shí)驗(yàn)場地風(fēng)速3m/s

長機(jī)巡航速度22m/s

長機(jī)編號1

最大速度限制30m/s

圖5.16編隊(duì)集結(jié)階段三機(jī)位置分布圖，圖中飛機(jī)圖標(biāo)上第一格代表無人機(jī)高度，第二

格代表無人機(jī)速度，第三格id代表無人機(jī)的編號，1號機(jī)為長機(jī)。圖5.17為三角形編隊(duì)飛

行保持階段的位置分布圖。圖5.18為編隊(duì)隊(duì)形保持飛行時(shí)從地面拍攝的飛行圖。

圖5.16編隊(duì)集結(jié)階段飛行圖

圖5.17編隊(duì)隊(duì)形保持階段飛行圖

圖5.18地面拍攝三機(jī)編隊(duì)實(shí)際飛行圖

圖5.19為三機(jī)在編隊(duì)集結(jié)與隊(duì)形保持階段的速度曲線，橫坐標(biāo)為地面站日志采樣時(shí)間

點(diǎn)，采樣間隔為0.2秒，縱坐標(biāo)為各無人機(jī)的地速。從圖中可以看出大概在500個(gè)采樣點(diǎn)后，

各無人機(jī)達(dá)到巡航速度。在500~%時(shí)間段，編隊(duì)正在集結(jié)，此時(shí)長機(jī)速度保持不變，2號僚

機(jī)和3號僚機(jī)以最大的限制速度30m/s去追蹤期望點(diǎn)，2號機(jī)先達(dá)到，隨后3號機(jī)也到達(dá),

三機(jī)在片時(shí)刻集結(jié)完成，6~3000時(shí)間段為隊(duì)形保持階段，1500~2000時(shí)間段僚機(jī)速度變化

是由于編隊(duì)此刻正在轉(zhuǎn)彎引起的，從圖中可以看出在隊(duì)形保持階段，穩(wěn)定后的僚機(jī)速度誤差

在2.5m/s之內(nèi)。

35

25

20

15

10

采樣時(shí)間/0.2s

圖5.19三機(jī)速度曲線

圖5.20為各無人機(jī)高度曲線，在1500采樣點(diǎn)時(shí)刻左右所有無人機(jī)基本集結(jié)完成，之后

的時(shí)間段屬于編隊(duì)隊(duì)形保持階段，將32004000采樣段的圖形放大，可以看出在編隊(duì)穩(wěn)定飛

行階段三機(jī)的高度誤差控制在1.5米以內(nèi)。

250

10001500250030003500400045005000

采樣時(shí)間/0.2s

圖5.20三機(jī)飛行高度曲線

1.1.3編隊(duì)隊(duì)形變換實(shí)驗(yàn)

圖5.21為長機(jī)自動(dòng)飛行航線，由于受空域限制，該航線的短邊為1.3km,長邊為3.5km。

預(yù)計(jì)的隊(duì)形變換區(qū)域如圖。

圖5.21長機(jī)航線圖

本次隊(duì)形變換實(shí)驗(yàn)涉及的隊(duì)形有三種，分別是三角形、豎一字和橫一字。具體測試方法

為：在編隊(duì)保持三角形隊(duì)形飛行階段地面站發(fā)送隊(duì)形變換命令，編隊(duì)隊(duì)形由三角形變換為豎

一字形狀，當(dāng)所有無人機(jī)到達(dá)期望隊(duì)形對應(yīng)的位置，認(rèn)為隊(duì)形變換完成，此時(shí)保持豎一字隊(duì)

形飛行一段時(shí)間，地面站再次發(fā)送隊(duì)形變換命令，編隊(duì)隊(duì)形將由豎一字形狀轉(zhuǎn)換為橫一字隊(duì)

形，隨后繼續(xù)保持橫一字隊(duì)形飛行一段時(shí)間。圖5.22和圖5.23為實(shí)際試飛的橫一字隊(duì)形和

豎一字隊(duì)形。

圖5.22地面拍攝橫一字隊(duì)形

4

■<

圖5.23地面拍攝豎一字隊(duì)形

圖5.24和圖5.25分別為隊(duì)形變換階段各無人機(jī)的北向位置曲線和東向位置曲線，各機(jī)

的北向位置和東向位置均相對于其解鎖位置而言。

-1200

1號機(jī)北向位置

-1250—2號機(jī)北向位置

3號機(jī)北向位置

S0006S007000

采樣時(shí)間/0.2s

圖5.24各無人機(jī)北向位置

圖5.25各無人機(jī)東向位置

各無人機(jī)在隊(duì)形變換區(qū)域由東向西飛行，從圖5.24中可知，在5000-5600采樣時(shí)間段，

三機(jī)保持三角形編隊(duì)飛行，隨后收到地面站隊(duì)形變換指令，三機(jī)變換成豎一字，三機(jī)在一條

直線上，北向位置基本重疊，在6300~6800采樣點(diǎn)時(shí)間段內(nèi)，三機(jī)保持豎一字形飛行，隨后

接收到地面站變換橫一字隊(duì)形命令，此后一段時(shí)間保持橫一字飛行。從圖中可以看出隊(duì)形變

換最后都收斂于期望隊(duì)形，收斂時(shí)間和飛行速度以及不同隊(duì)形的對應(yīng)關(guān)系有關(guān)，總體符合預(yù)

期實(shí)驗(yàn)要求。

1.1.4編隊(duì)機(jī)間避障實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)決定在豎一字飛行階段測試機(jī)間避障，首先設(shè)定豎一字隊(duì)形，各無人機(jī)以長機(jī)為

基點(diǎn)的相對了、＞、z軸坐標(biāo)為：1號機(jī)(0,0,0),2號機(jī)(0,-100,0),3號機(jī)(0,-200,0)。在編隊(duì)保

持豎一字隊(duì)形飛行的階段，地面站將3號機(jī)的相對坐標(biāo)設(shè)置為(0,100,0)。此時(shí)3號機(jī)必須經(jīng)

過2號機(jī)和1號機(jī)才能到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。機(jī)間避障利用第四章介紹的在線動(dòng)態(tài)避障算法，在水平

面和垂直面執(zhí)行三維避障。圖5.26為機(jī)間避障前三機(jī)飛行位置圖，圖5.27為正在機(jī)間避障

時(shí)三機(jī)飛行位置圖，圖5.28為避障結(jié)束后三機(jī)飛行位置圖。

圖5.26避障前三機(jī)飛行位置圖

圖5.27避障中三機(jī)飛行位置圖

圖5.28避障后三機(jī)飛行位置圖

圖5.29為機(jī)間避障階段的三機(jī)高度變換曲線，圖5.30為機(jī)間避障階段的三機(jī)軌跡圖,

橫坐標(biāo)為東向位置，縱坐標(biāo)為北向位置。結(jié)合兩圖曲線可知，在機(jī)間避障過程中，長機(jī)還是

保持原模式飛行，2號僚機(jī)和3號僚機(jī)執(zhí)行了避障動(dòng)作。2號僚機(jī)與3號僚機(jī)在水平面和垂

向均進(jìn)行了避讓，三機(jī)未發(fā)生碰撞，實(shí)驗(yàn)很順利，符合預(yù)期的避障要求。

225

161.051.71.75181.85

采樣時(shí)間/0.2skW，