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发布时间：2020-11-28 16:04所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次
【摘要】 无人机的发展有着数十年的历程，而自动控制算法的应用使得无人机得以具备更丰富的姿态。 在无人机编队领域，主要包括无人机编队集结和编队避障。 本文主要探究了无人机编队技术的原理，并且探讨了无人机路径规划的主要方法，然后主要针对其中的人工
【摘要】 无人机的发展有着数十年的历程，而自动控制算法的应用使得无人机得以具备更丰富的姿态。 在无人机编队领域，主要包括无人机编队集结和编队避障。 本文主要探究了无人机编队技术的原理，并且探讨了无人机路径规划的主要方法，然后主要针对其中的人工势场法进行分析与研究，希望本文对以上方法的研究可以为相关发展做出积极的贡献。
【关键词】 无人机 路径避障 编队控制
引言
自动控制技术可追溯到千年以前鲁班的“木马车”、诸葛亮的 “木流牛马”，而随着现代控制论的诞生，鲁棒控制、模糊控制、计算机控制等技术已应用于军事、工业、管理、生活等诸多领域。 而无人机，作为一种无人驾驶飞行器，在近十年来借助军用的契机，得以迅速发展。 从最初的军用到现在的民用，无人机已越来越贴近我们的生活。 那么，什么是无人机呢? 无人机是一种可控制、可执行各种不同的任务的无人飞行器。 现今，无人飞行器已经具有多种功能，军事上可以侦察敌情、遇到灾害时可以运输物资，在民用上可以用于航拍、表演等，还可用于勘测、灾区救援等特种行业。 人类的脚步不断前进，无人机又会有怎样的发展趋势? 又会发展出什么新的作用? 怎样研究无人机才能使其更好的造福人类?
而无人机在侦查、救援、表演等应用场景下，常常呈编队形式出现。 本文着眼于无人机编队控制的探究。 首先探究了无人机编队集结的方法，主要包括[1]：基于行为法、虚拟结构法、人工势场法、图论法和长机-僚机法。 又探究了无人机编队避障的主要方式，主要包括：可视图法、自由空间法、栅格法、遗传算法。
一、无人机编队的意义
在科学技术不断发展的今天，无人机技术不仅仅只停留在之前的理论阶段或者军事应用上，随着技术的成熟，民用无人机、商用无人机等等应用领域在不断增加。 民用领域主要应用在农业方面，比如使用无人机施肥; 商用领域应用十分广泛，比如大疆的商用游戏无人机，或者是商业庆典上的无人机表演等等。 而无人机编队技术的出现，更加拓宽了应用范围，使得这项高科技更快地走入了人们的生活中。
单架无人机有很多独特的优势[2]，如体积小、易操作、便于携带，但是与此同时，正是由于它的体积小，因此在军事、运输等领域，因载重、视角有限，单架无人机的工作能力有限，而无人机的能源问题也使得它的工作范围受到了很大影响。
无人机要想获得更为广泛的应用，就必须解决上面提到的这些问题。 而这些问题的根本就是只有单架无人机执行任务，所以最简单的解决方法就是同时采用多架无人机共同完成任务，即无人机编队飞行。 所谓的无人机编队就是让数架无人机按照实际的需要保持特定的编队飞行，并且在飞行的过程中保持编队的队形不变。 这样做的目的有[3]：
(1)可以用多架无人机从不同的角度不同的位置对目标区域进行侦测以期获得更加详细的信息，提高了信息的真实性。
(2)无人机执行任务的可靠性和效率都可以得到提升。 当无人机在执行任务的时候，其中某几架无人机发生障碍需要返回基地时，其它的无人机可以继续执行任务。
(3)多架无人机协同工作，在执行类似于抓取搬运工作的时候可以解决单架无人机载重不足的缺陷。
在无人机编队控制时，针对单个无人机的一些控制算法就没有办法解决多个无人机的运动规划等问题，就需要用到一些编队控制算法来完成对多架无人机的协同控制。
二、无人机分类简介
无人机分为几大类，其中主要有固定翼无人机、旋翼无人机、无人飞艇、伞翼无人机、扑翼无人机[4]等。 旋翼无人机应用范围最广，因其结构简单、便于操纵，广泛应用于军事领域和民用领域。 在军事方面，旋翼无人机主要是用来对目标物体的检测以及对未知区域的探索; 在民用方面，旋翼无人机可以应用于航拍、喷洒农药等。 现今，无人机的应用领域还在不断扩展，未来有望在快递领域有所应用。
四旋翼无人机整体呈中心对称。 四周有四个电机，中间有飞行控制计算机和一些重要设备以便控制。 此类无人机形态一般呈‘十’和‘X’字型。 ‘十’字形无人机一组电机提供动力而‘X’字型无人机两组电机同时提供动力，因此‘X’字型无人机机动性更强，用于航拍视场范围更大。 在尺寸方面，四旋翼无人机机体半径R与各旋翼最大半径r有关。
四旋翼无人机有6种运动状态，分别是上下运动、俯仰运动、滚转运动、偏航运动、前后运动、倾向运动[5]。 四旋翼无人机平台大致分为四个部分：无人机本体、机载计算机、室内导航系统和计算机终端。 机载计算机处于四旋翼无人机平台的核心位置，串联了整个系统，起到枢纽作用。
机载计算机是整个系统的数据处理中心，通过串口与飞行控制器相连，获取飞行控制器中当前时刻无人机的位置、姿态、偏航角等飞行数据，并将无人机下一时刻的航点信息回传给飞行控制器，形成一个局部的闭环控制回路。 四旋翼无人机本体分为两个部分，飞行控制器和飞行器。 飞行控制器作为无人机飞行控制的核心，实时的对自身的姿态、位置进行解算与控制，通过输出四个电机的转速，完成飞行器六自由度的飞行任务。 地面计算机终端作为远端监控，同时也具备实时控制的功能，利用地面站等软件实现对无人机实时姿态的监控以及飞行模式的切换，并通过基于操作系统的多机通信对室内导航系统所建立的地图进行监控和保存。
三、路径控制方法简介
3.1 路径规划意义与方法
随着在工业自动化和制造等要求苛刻的行业中越来越多的使用，无人机已经成为许多从事机器人领域研究的人们的关注中心，从而使机器人(无论是移动机器人还是人类机器人)具有自动规划路径的能力是至关重要的。 在现实世界中，机器人会遇到静态和动态环境，这意味着障碍物可能是静止的或正在移动的，或两者兼而有之。 目标搜寻和避障行为的构建应使机器人遵循尽可能短的路径朝向目标，以避开所有障碍物。
同样，用于导航的算法可分类为经典方法，例如路线图构建，细胞分解方法，人工势场(APF)方法和反应性方法，即模糊逻辑，神经网络，神经模糊系统和各种生物启发技术[6]。 势场方法的应用在移动机器人导航中非常普遍。 在无人机导航中，APF的使用也非常普遍，因为该领域需要鲁棒的、智能的控制器，也就是无论环境条件如何，该控制器都可用于复杂环境中的导航，APF刚好满足这些要求。 同时，在同一平台上导航多个控制器也是一项具有挑战性的任务，涉及避免可能发生的任何相互碰撞的可能性，这也是无人机编队的主要问题之一。
3.2 人工势场法用于路径控制简介
无人机自主路径规划一直是该领域的研究热点，而基于人工势场法的导航控制器因其原理简单、应用性强等优点被广泛应用于实际问题中。
人工势场法的原理是基于目标和障碍物所产生的吸引力和排斥力的综合作用，机器人的运动被认为是一个负梯度方案，该方法基本上是受电荷和电荷产生的电场启发的，也就是通过因吸引力和排斥力的潜在功能而产生的吸引力和排斥力的联合作用而工作。 通常，该算法虚拟地给无人机和障碍物分配相似的电荷，而给无人机和目标分配不相似的电荷。 结果，机器人经历了障碍物的排斥和目标的吸引力，合力的方向用于在未知环境中引导机器人到达目的地，同时避免障碍[7]。
无人机技术论文投稿期刊：《天津工业大学学报》(双月刊)1982年创刊，本刊坚持为社会主义服务的方向，坚持以马克思列宁主义、毛泽东思想和邓小平理论为指导，贯彻“百花齐放、百家争鸣”和“古为今用、洋为中用”的方针，坚持实事求是、理论与实际相结合的严谨学风，传播先进的科学文化知识，弘扬民族优秀科学文化，促进国际科学文化交流，探索高等教育、教学及管理诸方面的规律，活跃教学与科研的学术风气，为教学与科研服务。
四、结语
通过对无人机以及编队方法的讨论，更加加深了对该领域的理解，也对该领域的发展以及问题有了一个更全面的认识。 相信在科技不断发展的今天，无人机控制以及应用会不断的进步，从而更好地服务人们生活。
参考文献：
[1]欧超杰. 多无人机编队控制技术研究[D]. 南京航空航天大学, 2015.
[2]刘重阳. 国外无人机技术的发展[J]. 舰船电子工程(1):25-29.
[3]胡云舒. 无人机航路规划系统研究[D]. 西安电子科技大学, 2015.
[4]吴立新, 刘平生, 卢健. 无人机分类研究[J]. 教练机, 2005(3):1-11.
[5]赵嶷飞, 杨明泽. 基于动作捕捉的无人机运动状态识别[J]. 科学技术与工程, 18(27):58-63.
[6]丁家如, 杜昌平, 赵耀, et al. 基于改进人工势场法的无人机路径规划算法[J]. 计算机应用(1):287-290.
[7]张建英, 赵志萍, 刘暾, et al. 基于人工势场法的机器人路径规划[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2006, 38(8):1306-1309.
作者：周皓宇 许昌市建安区第三高级中学
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《无人机编队控制原理研究综述》