基于分布式人工勢場算法的無人機集群系統機間規避控制

周宣吉，王薇，王磊，邰灣灣，李中哲

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基于分布式人工勢場算法的無人機集群系統機間規避控制

周宣吉，王薇，王磊，邰灣灣，李中哲

（河北大學，河北 保定 071000）

機間防碰撞問題是集群系統研究的關鍵問題之一。針對集群無人機的機間規避問題，提出了一種基于人工勢場法與分布式相結合的規避方法，并用仿真數據以及實驗進行佐證。該方法在集群的基礎上，定義了無人機自身產生的斥力勢場和引力勢場來實現機間防撞；利用分布式思想，通過中央操控系統對多架無人機進行分組，使無人機之間進行充分通信，從而降低增益系數的不利影響。MATLAB仿真實驗表明，該方法具有較好的可行性和魯棒性，能有效解決機間防碰撞的問題。

人工勢場法；無人機集群系統；規避方法；仿真數據

無人機集群是指無人機依靠局部感知和相互作用而自主決定運動狀態，并由單無人機局部行為構成多無人機全局行為的協同方式[1]。無人機集群廣泛應用在搜索救援、交通監測[2]中，因此無人機必須能夠成功地感知并避開障礙物，避免與障礙物或其他無人機碰撞[2]。

1 方案總述

本方案解決無人機集群系統的機間防碰撞問題，采用分布式與人工勢場算法相結合的方式。在理論層面建立了數學模型，搭建起了無人機系統反饋調節機制。利用分布式思想，根據無人機集群密集程度對其進行實時動態立體分組，小組內信息進行共享，以減少無人機飛控計算量。基于原始人工勢場，構建了一種三維空間復合矢量人工勢場，組內無人機之間具有引力和斥力，實現了機間規避。外設中央操控系統，將無人機劃分為多個小組，在組內進行無人機的位置、高度、速度、偏角等信息實時共享，小組內無人機數量可根據無人機密集程度進行調整。

2 人工勢場

2.1 建立模型

設定無人機受組內其他無人機影響的作用區域為球體，以任意一架無人機為球心，將無人機周圍的球分成3層，即斥力球（1）、引力球（2）、臨界球（3），臨界用于判斷有無產生引力和斥力的必要。其球體模型如圖1所示。

當同一小組內出現任意兩架無人機之間的距離過近，即斥力層相外切甚至相交（≤21）的現象時，如圖2（a）所示他們在（1，1，1）點和（2，2，2）點連成的直線上向相反的方向移動，以減小碰撞的危險性。

當同一小組內出現任意兩架無人機之間的距離過遠（≥22）的現象時，如圖2（b）所示，他們在（3，3，3）點和（4，4，4）點連成的直線上向相近的方向移動，以防止路徑偏移。當同一小組內的無人機引力層相交但是斥力層沒有相交（21≤≤22）時，此時既沒有引力也沒有斥力，如圖3所示。

圖1 球體模型

圖2 模型講解示意圖

2.2 算法

2.2.1 兩個無人機之間斥力作用

無人機之間的距離滿足1＜＜21時，它們之間的斥力隨的變小而小范圍增大；如果無人機之間的距離滿足＜1時，代表這兩架無人機有碰撞的危險，它們之間的斥力隨的變小而大范圍增大以規避。

圖3 模型講解示意

進一步得到：

2.2.2 兩個無人機之間引力作用

同一小組內的任意兩架無人機之間距離過遠（引力層相離）但依舊處在作用區（虛線層處在相交的狀態），這兩架無人機受引力作用，引力保證該兩架無人機集結相互作用。

2.2.3 無人機所受合力公式

令系統內任意一架無人機共受個斥力，個引力，則系統內任意一架無人機所受合力為：

3 分布式

采用人工勢場與分布式相結合的方法，通過中央操控系統實時收集整個系統內所有的無人機的位置等信息，并依據各個無人機的具體位置實時劃分為許多個小組。

具體分組方式如下：①集群內的各無人機單元將位置信息傳遞給中央操控系統，系統模擬出一個長方體，該長方體包括所有的無人機。設該長方體的長為，寬為，高為，，，均為常數，該常數可以根據無人機集群的實時位置信息進行調整。②選取基點時，設劃分后小長方體的長=1 m、寬=1 m、高=0.5 m，以此長方體為基本單元進行劃分。

中央操控系統分別在長方體上的長寬高上取，，個點，，，的取值如下：

4 仿真結果

4.1 仿真步驟及流程

中央操控系統確定環境區域大小，并確定基點位置及數量，一次分組結束后每個基點對應的無人機數量將固定。分組后小組內無人機進行信息共享，基于人工勢場法進行機間避障。分布式與人工勢場相結合進行無人機機間規避的仿真流程如圖4所示。

圖4 仿真流程圖

4.2 仿真結果及分析

現從小組中取3架無人機進行單獨研究，設無人機單元1為W1，無人機單元2為W2，無人機單元3為W3。現有初始狀態如下：W3與W2之間為斥力1，W1與W3之間為斥力2，并且有1<2，W1與W2之間為引力3.相鄰無人機之間的距離隨時間變化的圖像如圖5所示。

在圖5中，曲線1為W1與W2的距離；曲線2為W2與W3的距離；曲線3為W3與W1的距離。

分析曲線可知：①曲線1中開始段為W1與W2的靠近段，二者之間的吸引力逐漸減小。②曲線2的開始段為無人機遠離階段，直到到達安全區飛機不再受力。無人機W3在曲線中間部分受到風力的外力作用，偏移其穩定位置，重新受到斥力作用，然后飛機偏移安全區，進而使得W3與W1、W2的距離過遠，不在一個組內。

圖5 規避模型示意圖

5 結束語

針對集群基礎上的多無人機機間規避，提出了一種分布式與人工勢場相結合的方法。確定無人機區域大小，然后通過數據傳輸單元，中央操控系統根據無人機傳回的位置信息對無人機進行分組，并且實現信息的組內共享，以減少無人機的運算量，增強系統的穩定性。定義了人工勢場，并搭載毫米波雷達，實現了多無人機的機間避障。仿真結果表明，該算法可以進行高效分組，各組無人機之間的信息也可以進行實時共享，使無人機機間的規避成為可能，具有較高的應用價值。實驗結果表明，人工勢場與分布式相結合的方法可以在很大程度上降低了增量系數帶來的不利影響，有較好的應用前景。

［1］沈東，魏瑞軒，茹常劍.基于數字信息素的無人機集群搜索操控方法［J］.系統工程與電子技術，2013，35（3）：591-596.

［2］Mujumdar A，Padhi R.Evolving Philosophies on Autonomous Obstacle/Collision Avoidance of Unmanned Aerial Vehicles［J］.Journal of Aerospace Computing Information & Communication，2011，8（2）：17-41.

［3］W.Ren.Consensus strategies for cooperative control of vehicle formations［J］.IET Control Theory & Applications，2007（4）.

［4］L.Marconi，R.Naldi.Robust nonlinear control of a miniature helicopter for aerobatic maneuvers［C］//Proceedings of 32nd European Rotorcraft Forum，2006.

［5］張殿富，劉福.基于人工勢場法的路徑規劃方法研究及展望［J］.計算機工程與科學，2013，35（6）：88-95．

2095－6835（2018）24－0019－03

C829.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.24.019

周宣吉（1998—），男，河北滄州人，本科，研究方向為無人機智能集群作業。

〔編輯：嚴麗琴〕