新技术讲座大作业

综述报告

无人机编队飞行控制技术研究

学号姓名分数xxxxxxx Xxx

南京航空航天大学自动化学院

xxxx年xx月

目录

目录 (2)

1 绪论 (1)

2 问题描述 (2)

3 发展现状 (3)

4 未来展望 (6)

6 结论 (7)

7 对本课程的意见和建议 (7)

参考文献 (8)

1 绪论

无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UA V)是一种具有自主飞行控制能力、无人驾驶的飞行器。自91年海湾战争中无人机得到成功运用以来，经过这几十年的发展，无人机技术已相对成熟，并在诸如执行军事侦查、军事打击、搜索救援、监督执法、空中测绘以及航空摄影等领域得到了广泛应用。

尽管如此，使用单无人机执行指定任务时仍存在问题。军事方面，如执行侦察任务时，单架无人机可能会受到侦查设备角度的限制，不能从多个不同方向对目标区域进行观测；当面临大范围搜索任务时，不能有效地覆盖整个侦察区域；而如果是执行攻击任务，单架无人机在作战范围、杀伤半径、摧毁能力以及攻击精度等方面受到的限制，会影响整个作战任务的成功率；另外，一旦单架无人机中途出现故障，必须立即中断任务返回，但在战争中有可能贻误战机而破坏整个作战计划。而在民用方面，现在各物流公司对货运无人机兴趣广泛，但是单架无人机的载重量、货物安全、无人机自身安全等很明显有缺陷。

为了克服单机飞行缺点、实现单机功能最大化、拓宽无人机使用范围，达到安全、高效、可靠地执行各种任务，编队飞行的概念被提了出来。

编队飞行能更高效的完成各种任务，拓宽无人机的使用范围。例如执行复杂任务时，可以将复杂任务拆分成不同简单的子任务，分配给编队中的不同无人机，从而一次飞行即可完成单机多次才能完成的任务，提升效率。在拓宽无人机应用领域上，多机编队协作能够完成单机不能完成的任务，如高精度定位、多角度成像及战区通信中继等，并且单机一般只对目标进行二维测量或成像，而多机以一定队形测量目标，再通过相应算法，则可以得到目标的三维信息。另外在使用无人机进行物流配送时，多无人机协同工作可以解决单无人机的载重能力不足、单无人机不能较好保证货物及自身安全等问题。

编队飞行能更可靠，更安全的完成各种任务。在无人机执行任务过程中,难免由于各种意外而造成损失。当无人机因突发情况而不能继续执行任务时,对于单无人机来说，就意味着任务失败,而对编队飞行的无人机来说,只是任务的完成程度受到了影响，另外可以在编队中编入备用无人机以确保整个编队能够继续执行任务。这种可靠性和冗余度在复杂多变的任务中(特别是战场中)尤为重要，这

是无人机编队飞行的一个突出的特点和优势。

另外无人机在采用编队飞行的时候，不但可以减小整个机群所受到的空气阻力，甚至可以获得与大展弦比飞机相当的气动性能。除此之外，在气象勘探、森林防火、紧急救援等其他领域也有着广阔的应用前景。

基于上述，多无人机编队飞行应运而生。实现编队飞行就需要编队飞行控制技术，编队控制技术最早是针对空间飞行器（主要是卫星）提出，用于提高卫星对地观测的覆盖率。无人机编队飞行控制的具体含义为：控制无人机在编队飞行时，编队成员间保持较为固定相对空间位置，满足任务需要和适应周边环境约束，例如障碍规避等。

理论研究上，众多科研机构和学者对无人机编队飞行控制相关问题进行了深入研究，例如美国空军研究实验室、西弗尼亚大学、麻省理工学院、宾夕法尼亚大学的GRASR实验室、加拿大康考迪亚大学的张友民教授等都有相关专著的发表。工程应用方面，美国在多无人机协同编队方面的研究已经走在了前面，2012年10月23日在太平洋万米高空，两架改进型“全球鹰”无人机编队飞行，顺利完成了空中自主加油试验。我国也已开展了多无人机协同领域的研究，推出了众多相关的预研课题和前期工程准备。

2 问题描述

无人机编队控制大体可分为两类基本问题：运动协调控制和覆盖协调控制。运动协调主要包括编队队形保持、集结、解散、重构、变换和编队避障，其中，队形保持是运动协调的核心问题，即研究编队在运动中如何保持队形不变。覆盖协调是指编队的任务规划和分配，包括部署、搜救、勘探，以及攻击目标的分配等。

本文主要关注运动协调中的问题。编队飞行的第一个问题是实现编队的组建、解散。队形变换则主要发生在以下情况，根据任务需要调整队形以及成员间的相对位置；新成员加入或者某些无人机脱离编队。队形变换的过渡过程中，关键问题是制定每个编队成员的运动轨迹，使队形变换从初态到终态满足一定约束，如时间、碰撞避免、安全距离保障约束等。当然，变换方法与队形变换前后的编队队形、特征有关。

编队集结或者变换完成后，队形控制和队形保持就成为了要考虑的关键问题。飞行中的无人机容易受到各种干扰，尤其是密集编队中的无人机还会受到编队中其他无人机的干扰，这些干扰都会对队形保持产生影响，尤其是这些干扰可能会导致编队中无人机发生碰撞。为了使编队飞行中，队形结构保持不变以及抗干扰等，编队飞行的控制策略就显得尤为重要。

飞行控制策略包括两方面，一是多机间的信息交互，二是队形控制算法。信息交互控制策略方面，一般有集中式控制、分布式控制和分散式控制三种方式，每一种方式都有其独特的定义和优势，又有各自的缺点。队形控制算法方面，为了提高算法的鲁棒性和安全性，一般都会考虑飞行过程中存在的不确定性因素，如机间通信丢包、时间延迟，避免机间碰撞也是算法需要考虑的。

3 发展现状

编队控制技术最早是针对卫星提出，用于提高卫星对地观测的覆盖率。进入21世纪以来，国内外在无人机编队控制方面开展了大量理论探索和实际研究。编队飞行控制的具体含义为：当多个无人机组成编队飞行时，相互之间要保持基本不变的相对位置以满足任务需求，同时也要适应周边环境，例如障碍规避。

当前无人机编队控制大体可分为两类基本问题：运动协调和覆盖协调。运动协调主要包括编队队形保持(Formation Keeping)、集结(Swarm)、解散(Dissolution)、重构(Formation Reconfiguration)、队形变换(Formation Change)和编队避障(Collision Avoidance)，其中，队形保持是运动协调的核心问题，即研究编队在运动中如何保持队形不变。覆盖协调是指编队的任务规划和分配，包括部署、搜救、勘探，以及攻击目标的分配等。

本文主要关注运动协调中的问题。目前国内外对其的研究现状如下。

编队飞行的第一步是实现编队的组建、解散，在这方面，国内外学者已开展了相关研究。无人机的集结控制方案的发展从最初的主要防止各成员之间的分离，快速集结到利用势场法模拟聚集行为和凝聚力以防止碰撞、实现集群的稳定性。另外也有利用行为法的集结模式，如模拟鸟类、蚂蚁和鱼类的集群行为。也有长机-僚机法、最优集结路径法等等。

队形变换主要发生在以下情况，根据任务需要调整队形以及成员间的相对位