無人機自主編隊的人工力場控制方法

程 旗，岳碧波

(四川九洲空管科技有限責任公司， 四川 綿陽 621000)

無人機(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)由于具有重量輕、機動性高、隱蔽性好、適應性強和不必冒生命危險等特點，在偵察、監視、通信中繼、電子對抗、攝影娛樂、農林作業、治安反恐、地理測繪、災害救援等領域應用越來越廣泛。在軍事應用領域，單無人機往往很難實現任務預期，多無人機編隊、有人/無人協同編隊等編隊形式逐漸引起人們的重視，隨著UAV技術的不斷發展，尤其是戰術數據鏈、高精度定位、人工智能等技術逐漸成熟，無人機自主編隊控制技術已經引起了國內外學者的廣泛關注。

在編隊形式上，具有代表性的有Marcello等[1]提出的領航-跟隨編隊模式、Ren等[2]提出的虛擬長機分布式編隊協同控制模式、Norman等[3]提出的基于虛擬結構的多機編隊模型，其中領航-跟隨編隊模式在無人機編隊控制中得到了廣泛應用[4-6]。在具體編隊控制方法上，常用的編隊控制方法有PID 控制[7]、自適應控制[8-9]、模糊控制[10]、各類仿生控制以及智能控制等[11-13]。上述方法在一定程度上解決了編隊航跡實時規劃問題，將編隊控制與編隊成員之間的防撞問題分離，事實上，編隊內的防撞問題，尤其是有人/無人編隊內的防撞規避問題，其重要性比編隊效率更高。邵壯等[14]采用對編隊內無人機進行優先級排序的方法，防止發生編隊碰撞，但未對防撞規避航跡規劃提出具體實施方法。

本文針對無人機在動態變化的編隊飛行環境中面臨的編隊隊形保持與編隊內碰撞風險的問題，采用人工力場方法，將編隊隊形控制與編隊內防撞規避作為研究整體，在保證編隊隊形的同時實現編隊內無人機協同規避。

1 自主編隊模型

無人機在三維場景中飛行時，其運動模型可以表示為

(1)

其中，(x(t),y(t),z(t))為時刻t時無人機在慣性坐標系中的位置，V(t)為無人機的瞬時真空速，μ(t)為無人機的瞬時航跡傾斜角，并且滿足μ(t)∈[-π/2,π/2]，φ(t)為無人機瞬時航向角，并且滿足φ(t)∈[-π,π]。

本文中，編隊控制包括了編隊隊形控制與編隊內防撞兩個方面的內容。采用領航-跟隨編隊模式，編隊控制實質上是要維持和控制僚機在整個飛行過程中與長機的相對距離和方位。自主編隊控制的過程如圖1所示，長機通過數據鏈等方式向僚機共享本機位置與計劃航跡，僚機依據編隊控制距離、控制方位、長機飛行航跡、編隊內其他飛機位置等數據預測本機最佳航跡點，確保本機與編隊成員飛行安全與任務執行效率。編隊采用的數據鏈種類因編隊機型以及主要用途而定，其中態勢感知數據鏈是用于解決協同作戰過程中的互通和態勢實時共享問題而開發的專用軍用數據鏈，該數據鏈工作于UHF頻段，采用時分多址體制，具有空地和空空兩種模式，其數據傳輸速度以及作用距離完全滿足無人機系統控制與協同需求，是無人機控制常用的數據鏈之一。為兼顧編隊成本以及任務執行效率，通常要求無人僚機的性能接近長機，例如在軍事領域，美軍計劃將三代機改無人機作為五代戰斗機忠誠僚機。

圖1中，編隊為V型領航-跟隨編隊，僚機與長機距離為L，方位角度為θ，僚機防撞隔離空域是以本機為中心的球體，其中，碰撞區半徑為r，沖突區半徑為R，當入侵飛機進入沖突區球體空域內，本機實施防撞規避；當入侵飛機進入碰撞區球體空域內，本機與入侵飛機發生碰撞，規避失敗。因此，適用于動態變化的自主編隊航跡規劃是無人機編隊的關鍵技術之一。

2 人工力場控制模型

人工力場法基本思想是假設本機飛行環境中充斥著一個巨大的力場，使得本機能夠收到目的地的引力，同時收到障礙物的排斥力。

根據引力場和斥力場公式分別得到引力與斥力公式為[14]

Fatt(P)=ξρ(P,Pgoal)

(2)

(3)

Ftotal=Fatt(P)+Frep(P)

(4)

其中Fatt(P)為引力，Frep(P)為斥力，Ftotal為合力，P為本機當前時刻的位置，Pgoal為本機下一個目標航跡點位置，Pob為入侵飛機當前時刻所在的位置，ξ為引力因子，并有ξ>0，η為斥力因子，并有η>0，ρ(P,Pob)=||P-Pob||為位置P與Pob之間的距離。由式(3)可見，只有進入僚機沖突區內的目標才會對僚機產生斥力作用，最大限度降低了斥力作用對僚機飛行航線的影響。

3 無人機自主編隊控制方法

僚機在編隊飛行的過程中，通過數據鏈獲取長機位置以及長機下一個目標航跡點位置，本機根據編隊規則計算本機在下一時刻的期望航跡點位置，并在人工力場的作用下，受到下一時刻航跡點的引力作用，同時本機探測飛行環境中其他編隊成員位置，若其他成員飛機進入本機沖突區域，則同時受到入侵目標對本機的斥力，僚機根據受到的引力和斥力自主規劃最優航跡。具體執行流程如圖2所示。

4 仿真實驗

4.1 實驗場景設置

為了驗證本文無人機自主編隊防撞航跡規劃方法的執行效率，設計了一組二維編隊飛行仿真實驗。編隊采用V型領航-跟隨編隊模式，長機數量為1，僚機數量為2，編隊在同一水平面上飛行，長機做水平勻速盤旋飛行，僚機根據長機航跡自主生成飛行航跡點。為研究方便，建立飛行水平面直角坐標系，以正北方為Y軸正方向、正東方為X軸正方向，坐標原點固定，僚機機動能力足夠支持各種快速變速轉向飛行。各仿真參數如表1所示。

表1 仿真參數

4.2 仿真結果分析

編隊飛機航跡如圖3所示，各航跡形成一個同心圓，由內至外各航跡分別為，僚機1實際航跡、僚機1理論航跡、長機航跡、僚機2實際航跡、僚機2理論航跡。由于長機飛行航跡半徑為3 500 m，其數值遠大于兩僚機航跡差，因此圖3中僚機航跡誤差不明顯。

圖4為僚機1和僚機2實際飛行航跡與其理論航跡之間的誤差。由圖4可見，在起始時刻，僚機1實際航跡與理論航跡最大距離誤差15.0 m，在虛擬力場的作用下，僚機1快速接近預定航跡位置，其中僚機1實際航跡與理論航跡距離誤差平均值為0.53 m。類似于僚機1，僚機2在起始時刻實際航跡與理論航跡最大距離誤差為29.9 m，到達穩定狀態后，實際航跡與理論航跡距離誤差均值為2.01 m。

圖5與圖6分別為僚機1和僚機2在整個編隊飛行過程中受到的引力及斥力，由圖可見，兩僚機在飛行過程中一直受到引力的作用，由于轉向飛行速度方向的變化，僚機必須在下一時刻位置的引力下完成轉向，否則將保持當前運動狀態，隨著力場的不斷調整，最終兩僚機受到的引力穩定在300左右，而斥力則只在編隊形成初期起到了一定作用，到僚機與長機距離大于沖突區半徑后，斥力迅速消失。

圖7所示為編隊內各飛機的間隔，在編隊起始時刻，僚機未達到預定位置，各飛機的間隔變化較大，隨著編隊飛行的持續，僚機與長機間隔誤差逐漸減小，最后穩定在150 m左右，兩僚機的間隔在編隊起始階段有微小起伏，隨后也穩定在150 m左右。其中，僚機1的起始位置接近預定位置，間隔變化不大，僚機2與長機的最小間隔為125 m，僚機1與僚機2的最小間隔為137.5 m。由于長機做圓周飛行，飛行方向不斷變化，其方向不確定性造成了編隊內各飛機間隔與編隊規則間的細微偏差，其偏差在可接受范圍內。由此可見，本文采用的編隊人工力場控制方法不僅能夠保持穩定的編隊隊形，而且能有效防止編隊內成員飛機的碰撞。

5 結論

本文提出了一種無人機自主動態編隊人工力場控制方法，無人僚機以本機期望航跡點為虛擬引力產生點，編隊內成員飛機位置點為虛擬斥力產生點，在此虛擬力場的作用下，引導本機調整飛行速度和方向，使無人機能根據動態變化的飛行環境，自適應的調整本機飛行速度和飛行方向。仿真結果表明，該方法具有較強的魯棒性和自適應能力，在保持穩定的編隊隊形的同時確保與編隊內其他成員飛機保持安全飛行間隔，為解決無人機編隊系統的自主飛行控制設計提供了新的思路。