無人機編隊避障與控制技術研究現狀及發展趨勢

查勇

（四川天府新區通用航空職業學院，四川 成都 620564）

避障問題是無人機編隊飛行中需要重點考慮的內容。避障的目的是保證無人機在編隊飛行中不會受到外界環境及機間影響，降低事故發生率，提高工作完成質量。不過，就目前專業技術水平而言，避障工作還存在一些問題有待解決，本文就對無人機編隊避障進行探討分析，并根據現狀提出合理的解決措施。

1 多架無人機協同編隊飛行

無人機編隊飛行已經成為軍事領域、科研工作者日常工作的重點內容，無人機編隊飛行中，要求做好隊形設計、氣動耦合，控制無人機間的安全距離，做好動態化科學調整，維持航跡的準確性、安全性，以便高效完成指定工作。我國目前針對無人機編隊飛行的研究還處于發展階段，仍需深入研究，以便為我國軍事事業發展貢獻力量。

2 優點

無人機編隊飛行在軍事領域中的應用，可以提高偵查和單次作戰效率，為軍事人員提供更加完善的數據資料，維護作戰安全性。無人機編隊飛行可以從不同角度對偵查區域的具體情況進行了解，使相關人員準確掌握偵查區域地形地勢特征，以及存在的電磁信號干擾情況，對方人員、設備等的分布情況等，準確評估戰場情況。同時，無人機上附帶的相機拍攝功能，可以在短時間內將偵查現場情況快速傳輸到總部，縮短信息傳輸時間，避免信息截取的可能，便于總部人員及時調整作戰方案。利用無人機還可以實現多個地方的同時攻擊，減少因時間差引發的危險事故，增大作戰的成功率。

3 無人機編隊避障與控制技術研究現狀

3.1 無人機編隊防碰撞

無人機編隊避障和控制技術的研究是為讓無人機在協同作業中，不會因與周邊障礙物的碰撞或無人機相互間的碰撞而出現故障問題，進而使任務失敗的一種方式。在無人機編隊飛行中，編隊內無人機數量會直接影響編隊飛行效果。數量較少，在編隊飛行中，一旦出現碰撞問題，損毀的一架無人機會對任務執行情況帶來不良影響。如果數量較多，在無人機編隊飛行中，則會因為間距把控不到位、障礙物等因素，導致碰撞事故的發生，并產生一系列連鎖反應，阻礙任務完成。為此，在無人機編隊障壁和控制過程中，需做好無人機航跡規劃作業，考慮協同避障內容，以維護無人機編隊飛行的安全性。

在研究無人機編隊防碰撞的過程中，針對目前幾種方式展開探究，得出結果為：協同航跡規劃還存在一些問題，雖然能夠減少碰撞，但只適用于合作型無人機，其他情況下效果不明顯；幾何最優法在使用中，雖然是以入侵機的原點掌握無人機編隊飛行的速度和位置，解決速度矢量與保護圓相交存在的矛盾，但也僅僅適用于二維平面內，范圍受限。

利用DUBINS 曲線處理無人機編隊防碰撞，將兩架固定翼無人機放置在同等高度且有障礙物的環境下，規劃飛行路徑，借助傳統的搜索算法找出無人機飛行中最短的避障路徑，以此增強防碰撞效果。在同高度飛行狀態下，充分利用無人機間的運動關系，以向量共享方式和路徑規劃內容，計算得出防止碰撞產生的路徑。不過，該方法在使用中，因為不能充分考慮無人機之間的約束效果，只是借助路徑調控完成避障行為，容易使任務執行中問題增加，影響任務完成度。

虛擬結構法，其與人工勢場法有效結合起來，利用虛擬操作對無人機編隊飛行中存在的誤差值實行收集和分析，找出可能引發碰撞的因素，重新設定無人機安全間距，保持隊形的穩定性和精確性，改善障礙物規避效果。在人工勢場下，需要以新的函數指標實現無人機編隊避障效果，維持編隊隊形的持久性，減少危險的發生。為此，可嘗試將傳統算法和新的函數算法結合起來，獲取更加精準的數據資料，提高無人機編隊飛行中對障礙物的敏感度，保證隊形穩定性。

透光性假說模型的構建，針對的是密集編隊存在的碰撞問題。通過模型建立及LMPC 控制理論的應用，生成完善的防碰撞控制器，以此控制無人機編隊飛行中存在的碰撞問題，減少損失。但該方法在避障問題處理上略顯不足，仍需進一步研究。

3.2 無人機機間防碰撞

針對人工勢場引發的無人機機間碰撞問題，在處理中，可以先利用引力和斥力模型，了解兩者間的關聯，之后將每臺無人機設置成移動障礙物，在斥力引力作用下，無人機可自動排斥周邊障礙物，避免機間碰撞的產生。另外，應通過虛擬障礙物的構建提高無人機編隊飛行的敏感度，減少人工勢場趨于最低值時引發的碰撞問題。利用BEZIER 曲線開展無人機編隊飛行中平滑性的調整和控制，這樣在飛行過程中，即使無人機作大角度轉彎變化，也不會對航跡路線構成威脅，直接控制轉彎時因間距縮短導致的碰撞現象，維持無人機編隊飛行的穩定性、順暢性。

對無人機機間防碰撞的研究發現，以傳統的人工勢場法開展無人機航跡規劃時，容易出現局部極小點、受迫性碰撞及目標點無法達到等情況，削弱避障效果。為解決這一問題，需對傳統的人工勢場法進行改進和優化，創建新的軌跡劃算法，避免上述問題的出現。該方法是通過方向協調能力的提升，控制無人機與目標點間距，進而加強避障效果。分析無人機與目標點間距變化帶來的影響，創建新的斥力函數，兩者縮小時，斥力函數也會逐漸縮小，直至為零，確保目標點能夠達到規定要求，反之，則說明目標點無法達到。

無人機編隊內部存在的避障問題，可利用預測控制法及航路回歸模型進行解決。前者可在無人機發生碰撞前，對間距進行調整，在保證航跡方向不變的情況下，維持飛行穩定性。后者可以改善無人機編隊飛行中的控制效率，將無人機編隊飛行的具體情況快速回傳到指定系統內，及時調整飛行航線，以達到避障控制的目的。

4 無人機編隊避障與控制技術發展趨勢

4.1 密集編隊避障與控制

無人機密集編隊飛行避障控制技術的研究存在薄弱部分，密集編隊一旦出現碰撞問題，將會產生一系列連鎖反應，進而增加損失率，降低任務成功率。在密集編隊飛行過程中，無人機機間距本身就較小，一旦遇到障礙物，一臺無人機會因為斥力出現躲避情況，直接縮短與相連無人機的間距，本身較小的距離再次縮短，直到無人機碰撞。相鄰無人機均會存在上述情況，進而產生一系列連鎖反應，導致無人機全部無法使用。

雖然目前科研企業有將鳥類透光避障原理模型應用到密集編隊避障和控制中來，但對于靜態和動態規避技術，還存在滯后性，難以解決上述問題。為此，在以后發展中，有必要針對這一問題展開深度討論。目前，在解決密集編隊避障和控制問題上，有網絡分隔法、協同避障法、透光性避障法這三種，如果單獨使用，效果不明顯，但如果能夠融合應用，借助三種方法的優勢，便可有效提升密集編隊避障和控制水平。以網絡分隔法將密集編隊無人機劃分成若干小組，分別對各個小組展開調度和控制，做好整體無人機管控。利用透光性對無人機間距進行科學調整，使其在編隊飛行中不會存在連鎖碰撞現象。最后，再利用協同避障法，對密集編隊存在的空間影響因素進行計算，優化躲避性能。

4.2 干擾避障及控制技術

無人機編隊飛行中，與障礙物距離越近，越容易受到自然環境和人為因素的影響，導致無人機上的探測設備、通信設備和網絡拓撲結構發生改變，最終收集的數據資料存在傳輸不暢、連接中斷，數據丟失、測量誤差增大。現階段，對干擾避障和控制技術的研究力度較弱，多是以具體情況展開調整，但因反應時間較慢，難免會存在一些危險因素。為此，可以將智能化技術融入其中，快速識別存在的干擾因素，做好相關函數計算，在臨近干擾物時，快速反應，從而降低碰撞的可能。

4.3 密集障礙物避障和控制技術

無人機編隊飛行中，可能會因為遇到復雜山區地形或中心城市，導致無人機編隊飛行中存在較多障礙物，但由于復雜性限制，無法及時調整編隊隊形，增加無人機編隊難度。為此，有必要構建一體化智能管理系統，減少接近障礙物時存在的各種干擾因素，保證無人機數據采集和傳輸的快速性、合理性，也可以通過智能化技術的應用，實現無人機的科學調控，針對復雜環境變化，快速調整編隊隊形。

5 結語

希望上文論述可以對相關人員有所幫助，深入掌握無人機編隊避障與控制技術及其未來發展趨勢，在以后能夠加大研究深度，提升該項技術水平，從而拓寬行業的前行路徑。