無人機多目標協同飛行精度研究

馬文良

無人機多目標飛行在執行復雜任務的性能和效率上比單架次高出許多，因此無人機多目標飛行已經成為無人機應用研究的熱點問題。本文對影響無人機多目標協同飛行精度因素進行了分析，提出了利用協同點計算的輔助計算方法，對提高無人機多目標飛行協同精度起到輔助決策作用。

隨著現代戰場環境及作戰任務越發復雜，對無人機執行任務的要求也越來越高，僅僅依靠單架無人機完成任務的缺陷已經十分明顯，而對于無人機多目標飛行的需求正不斷上升。無人機多目標飛行，即多架無人機為適應任務要求而進行的某種隊形排列和任務分配的組織模式。和單架無人機相比，無人機多目標飛行可以將任務的執行效率大大提高，更好的滿足任務需求，但在實際飛行中，無人機多目標協同飛行將受到某些因素的影響，進而協同飛行精度也隨之受到影響。本文基于對影響無人機多目標協同飛行精度的因素進行分析，提出協同飛行輔助計算方法，在實際飛行中可及時對無人機進行適當調整，進而滿足任務要求。

影響無人機多目標協同飛行精度的因素及分析

根據任務要求，無人機多目標飛行將會受到某些約束條件的限制，例如要求無人機之間保持固定距離、到達目標點的時間控制在一定范圍內等，而影響無人機完成任務的因素有許多，其中主要包括環境因素、起飛時間間隔、轉彎速度、飛行高度及無人機型號等。

環境因素

本文考慮的環境因素主要是風速及風向。無人機起飛對起飛地點的風速風向是有一定要求的，因此在起飛時要根據起飛地點的風速風向選擇發射方向，這樣就有可能產生無人機起飛段偏離預定航線的情況，與仿真計算產生了時間差，如果無人機選擇在不同的地點起飛，在起飛段產生的時間差就更難估計，需要在起飛后進行及時調整，進而滿足任務要求。如圖1所示，直線A為無人機設計航線，在實際飛行中，受起飛地點的風速風向影響，無人機無法直接進入航線，只能以實際航線B飛行，如此就產生了時間差，需要在后續飛行過程中進行適當調整。

起飛時間間隔

在執行多目標飛行任務時，需要每架無人機按照預先設定的時間間隔起飛，然而在實際操作中，可能會受到人為因素、環境因素、無人機個體差異等影響，兩架無人機之間的起飛時間間隔很難保證為預定的時間間隔，將會產生時間差，需要無人機在后續飛行過程中進行適當調整，盡快消除時間差的影響，滿足任務要求。

轉彎速度

無人機在空中飛行會受到空中風的影響，使得無人機在轉彎時速度無法按照預定速度進行轉彎，造成無人機轉彎半徑發生變化，實際飛行航線偏離預定航線，飛行時間會隨之發生變化，如圖2所示，預定航線為A，無人機受到影響轉彎半徑變大，實際航線為B，實際航線與預定航線產生偏差，飛行時間隨之發生變化，進而影響無人機協同飛行。此外，無人機在轉彎時姿態將發生較大變化，不宜對其進行調整，需要在無人機完成轉彎且姿態平穩后進行及時調整。

飛行高度

隨著無人機飛行高度的增加，其受到的升力、阻力及發動機效率將會發生較大變化，同時，不同高度空中風的速度與方向也會不同，使得實際飛行情況與理論航線及仿真計算結果有較大差距，因此，需要在實際飛行中需要及時觀察無人機飛行速度，針對速度差距及時進行修正，進而滿足多目標協同飛行要求。

無人機型號

依據任務要求，將對無人機協同飛行的型號進行要求，對要求不同型號無人機協同飛行時，在以上4點需要考慮外，還需要特別考慮不同型號無人機速度差異及速度調整難度的情況。在任務規劃時針對無人機型號不同需認真考慮航線規劃、起飛順序、起飛間隔時間及在飛行過程中遇到突發情況對哪型無人機進行何種調整等。

無人機多目標協同飛行輔助計算方法

假設某任務要求無人機A與無人機B同時到達各自航線的C點與D點（如圖3所示），在實際飛行過程中，無人機A與無人機B由于受到上述因素的影響，無法按照模擬仿真的情況進行協同飛行，這樣就需要在無人機飛行過程中采取有效計算，有針對性的進行某些調整，進而消除無人機A與無人機B不協同的實際情況。

針對示例中提出的無人機受影響無法保持協同飛行的情況，采取在無人機到達目標點前增加協同點的辦法，計算無人機到達協同點的時間差，對無人機速度進行調整，具體步驟如下：

（1）利用公式（1）計算無人機當前點與協同點之間的距離；

D=R*arccos[cos（βl）*（cosβ2）*

cos（αl-α2）+sin（βl）*sin（β2）]

（1）

其中，R為地球半徑，（αl，β1）為無人機當前點坐標，（α2，β2）為協同點坐標。

（2）根據第一步中計算得到的距離及無人機航速分別計算兩架無人機到達協同點的時間；

t=D/V

（2）

其中，V為無人機航速。

（3）計算兩架無人機到達協同點的時間差，判斷無人機到達協同點的先后順序；

（4）根據無人機控制特點，對無人機速度進行調整；

（5）重復（1）一（4）的計算工作，直到滿足協同飛行要求。

如圖3所示，利用上述計算步驟，假設無人機A當前坐標為（123.01°，35.94°），無人機B當前坐標為（123.26°，35.88°），兩架無人機當前速度為lOOm/s，協同點坐標為（123.41°，36.37°），要求無人機A與無人機B到達協同點的時間間隔小于1s。利用上述計算步驟進行仿真計算，假設無人機A速度保持不變，對無人機B進行速度調整，仿真結果如圖4所示，最終兩架無人機達到協同點的時間間隔為0.96s，滿足要求。

增加協同點的方法可以判斷無人機協同飛行情況，通過計算對無人機進行適當調整，將有效提高無人機多目標協同飛行精度，滿足任務要求。

總結

本文對無人機多目標協同飛行進行了研究，對影響無人機多目標協同飛行精度的因素進行了分析，提出了利用協同點實時計算的輔助方法，可以判斷無人機協同飛行情況，及時對無人機采取合理調整，使無人機協同飛行精度提高，圓滿完成無人機多目標協同飛行任務。