精選無人機“蜂群”協(xié)同控制與自主避技術

精選無人機“蜂群〞協(xié)同控制與自主避技術干貨分享|無人機“蜂群〞協(xié)同控制與自主避技術概述隨著常規(guī)無人機技術逐漸成熟，無人機系統(tǒng)〔UAS〕的開展潮流轉向集群化、特異化。為了在戰(zhàn)術戰(zhàn)略層面重新獲得非對稱優(yōu)勢，美國國防部REF_Ref1395\r\h、美國空軍分別提出了未來假設干年無人系統(tǒng)開展規(guī)劃，其中以小型無人機組成“蜂群〞執(zhí)行任務是重點開展方向之一。為了使用無人機蜂群進行諸如協(xié)同偵查、協(xié)同打擊任務，蜂群需具備良好的整體行為控制能力，保證其在飛行過程中能夠保持蜂群構型的穩(wěn)定、蜂群成員間的平安距離，并自主躲避飛行路線上的動靜態(tài)障礙物，因此無人機“蜂群〞協(xié)同控制與自主避障是最根底的核心技術。針對這一需求，恒潤科技集團北京潤科通用技術有限公司〔以下簡稱“潤科通用〞〕自主研發(fā)并成功攻關無人機蜂群協(xié)同控制與自主避障技術，可以提供核心算法協(xié)助客戶實現(xiàn)蜂群控制能力、戰(zhàn)術戰(zhàn)略任務效能仿真能力。無人機“蜂群〞協(xié)同控制與自主避障技術特點無人機蜂群協(xié)同控制與自主避障技術聚焦兩個及以上無人機的編隊構型控制、自主避障等問題，自主實現(xiàn)蜂群無人機各成員間導航與控制，使得蜂群成為一個整體執(zhí)行上層系統(tǒng)分配的任務。無人機蜂群協(xié)同控制與自主避障技術的特點包括：對蜂群的控制只需類似單機無人機的簡單指令蜂群可以自動躲避動靜態(tài)障礙物防止蜂群成員間自主避撞蜂群可以再拆分成小蜂群執(zhí)行多個任務蜂群成員通信拓撲動態(tài)可變，且僅需臨近通信能力可保證蜂群成員間運動的一致性蜂群無需領航者，魯棒性強系統(tǒng)算法適用于任意數(shù)量無人機成員可應用于二維平面編隊和三維立體編隊潤科通用研發(fā)的無人機蜂群協(xié)同控制與自主避障技術基于Matlab/Simulink進行算法建模，算法在數(shù)字環(huán)境下進行充分仿真驗證，保證算法的有效性與魯棒性?；贛atlab/Simulink得到的算法模型可以通過代碼自動生成的方式自動生成C、C++等形式的實時代碼，并將其應用于半物理仿真及真實飛控計算機中。無人機蜂群協(xié)同控制與自主避障技術包括三個核心功能：蜂群構型控制、蜂群自主避障、蜂群任務分配。無人機蜂群編隊構型控制無人機蜂群編隊構型控制算法以圖論為理論根底，以編隊成員趨近、同速、避撞為根本原那么，實現(xiàn)編隊構型的一致性控制。編隊構型控制分兩種方式：固定構型編隊；空間自由編隊。固定構型編隊當無人機成員數(shù)量較少時，一般選擇固定構型編隊，包括：線型構型〔一字構型〕；人字形構型；三角形構型；鉆石型等。此外，可以根據(jù)需求進行任意編隊構型的定制開發(fā)。例如下列圖為線型構型編隊的示意圖。編隊包含7個無人機成員，仿真開始時，各個成員處于隨機分配的位置，仿真開始后首先形成編隊構型，然后在后續(xù)的飛行中保持編隊構型。圖SEQ圖\*ARABIC1線型構型編隊平面飛行軌跡顯示圖SEQ圖\*ARABIC2編隊構型形成圖SEQ圖\*ARABIC3編隊構型保持空間自由編隊空間自由編隊模式下，無人機更成員間的相對位置關系根據(jù)指定的勢函數(shù)確定，穩(wěn)定編隊構型形成后，成員間以正三角形〔二維空間編隊〕或正四面體〔三維空間編隊〕為根本單元組成整體。在空間自由編隊模式下，編隊成員間的通信拓撲是動態(tài)變化，無人機僅對其周圍一定范圍內的成員具有通信能力，而無需全局通信能力，對通信系統(tǒng)友好，因此具有很強的適應性。圖SEQ圖\*ARABIC4形成穩(wěn)定編隊構型后的相對位置示意圖〔平面〕例如——二維蜂群仿真 下列圖給出蜂群成員為50的二維平面蜂群仿真結果。圖中藍色曲線為無人機蜂群飛行軌跡，黑色透明圈是所標注時刻仿真曲線剖面，箭頭所指為局部放大圖，紅色曲線為蜂群整體導航指令。初始時刻蜂群成員位置隨機給定，隨著仿真進行蜂群構型逐漸形成，經(jīng)過60s后形成穩(wěn)定構型并在后續(xù)的時間中保持構型。圖SEQ圖\*ARABIC8平面蜂群編隊構型 例如——三維大蜂群仿真 下面給出蜂群成員數(shù)量為200時的仿真結果。蜂群構型的形成和穩(wěn)定保持過程與前一例如根本相同，不再詳細給出。圖SEQ圖\*ARABIC7三維空間蜂群編隊構型無人機蜂群自主避障無人機蜂群自主避障功能實現(xiàn)蜂群整體對各類動靜態(tài)障礙的躲避，蜂群在該指令控制下實現(xiàn)蜂群整體運動趨勢的改變，如控制蜂群按指定航路點飛低目的地，并在飛行過程蜂群能夠躲避障礙區(qū)域或敵方單位。無人機蜂群自主避障基于勢函數(shù)方法設計，蜂群不進行顯式的航路規(guī)劃，而是將障礙區(qū)域/敵方單位設置為斥力源，當蜂群靠近斥力源時將生成偏離指令，制導蜂群避障。 例如——動態(tài)靜態(tài)障礙下列圖給出包含動態(tài)和靜態(tài)障礙區(qū)域的蜂群避障仿真結果。圖中藍色曲線為蜂群飛行軌跡，黑色圓圈為靜態(tài)障礙區(qū)域，紅色曲線為蜂群飛行指令，綠色為動態(tài)障礙區(qū)域中心運動軌跡，綠色透明圓為某一時刻動態(tài)障礙區(qū)所在位置。由圖可見，無人機蜂群在跟蹤指令的過程中，能夠保持蜂群構型，并成功躲避動態(tài)與靜態(tài)障礙物。動態(tài)仿真過程參見如下視頻內容，由視頻可見，在運動到航線最右側時，由于動態(tài)障礙速度過快，當蜂群編隊與其相遇時，躲避動作使隊形沖散，且有局部蜂群成員進入動態(tài)障礙區(qū)，該局部表達出針對不同環(huán)境條件，需要進行避障算法參數(shù)的調整，以平衡蜂群構型保持傾向和避障傾向。圖SEQ圖\*ARABIC11無人機蜂群障礙躲避無人機蜂群任務分配無人機蜂群可以分解為假設干小蜂群分別執(zhí)