無人機編隊飛行面臨問題及關鍵技術研究

潘華+毛海濤

摘 要： 隨著無人機任務的復雜性增加，無人機編隊飛行成為無人機發展的新方向。為了研究無人機由于編隊帶來的新問題，分析在單架無人機執行任務時所遇到的問題及無人機編隊飛行的必要性，并在分析無人機編隊飛行的特點基礎上，闡述編隊飛行過程中所需解決的問題。通過查閱近幾年國內外對于無人機編隊的問題研究，總結整理出無人機編隊主要面臨的隊形保持中控制器設計、防撞避障及航跡規劃中路徑優化等問題。針對各個問題，對編隊飛行過程中的關鍵技術進行探討和分析。

關鍵詞： 無人機； 編隊飛行； 控制器設計； 關鍵技術

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）16?0077?03

Study on problems facing with UAV formation flight and its key technology

PAN Hua， MAO Hai?tao

（Unit 92728 of PLA， Shanghai， 200436， China）

Abstract：With the increase of the mission complexity of UAV， UAV formation flight has become the new trend of UAV development. To study the new problems brought about by UAV formation flight， the problems encountered in mission of single UAV and the necessity of UAV formation flight are analyzed. The problems needing to solve in process of formation flight are expounded based on the analysis of UAV formation flight features. By consulting the research achievements of UAV formation flight at home and aboard in recent years， the main problems， such as controller design for formation keeping， collision avoidance and path optimization in route planning that UAV formation flight encounters are summarized. The key technology in process of UAV formation flight is discussed and analyzed.

Keywords： UAV； formation flight； controller design； key technology

0 引 言

近些年來，無人機由于本身具有尺寸小、重量輕、適應性強、隱蔽性高及危險性系數低等點被廣泛應用于軍事和民事領域。在軍事領域，無人機作為靶機、偵察機和戰斗機等，可以執行偵查監視、騙敵誘餌、實施干擾、對地攻擊、校射及通信中繼等。在民事領域，無人機可以用于監測環境、監測氣象、勘探資源、森林防火及人工降雨等。

隨著科技的發展，無人機完成任務的復雜度日益增加，而單架無人機執行任務的缺陷也日益突出。主要有：

（1） 偵查范圍有限，不能執行大面積偵查行動；

（2） 出現故障時必須中斷維修，在戰爭中很可能失去有利機會；

（3） 作為戰斗機時，破壞能力有限，執行任務的成功率受到影響。

而對無人機進行編隊飛行，能夠很好地解決以上的問題。

1 無人機編隊飛行及其特點

無人機編隊飛行，即多架無人機為適應任務要求而進行的某種隊形排列和任務分配的組織模式[1]，即無人機在執行任務時，為了滿足任務需要，將多架無人機按照一定的方式排列，并在執行任務過程中保持隊形不變。

無人機編隊飛行可以很好地解決單架無人機面臨的困難，主要有[2]：

（1） 在實行偵查任務時，可以對偵查區域進行劃分，并分配給編隊中不同的無人機，從而避免目標的遺漏并提高執行任務效率。

（2） 在執行對地觀測任務時，可以調整編隊中的多個無人機上相機角度，實現全面立體照相。

（3） 相對于單架無人機而言，整體編隊的執行任務得到效率提高。比如在執行某項復雜任務時，可以在原有需求基礎上增加備用無人機；在部分無人機出現故障的情況下，也能按照要求實時高效地完成任務。

（4） 無人機作為戰斗機執行任務時，其摧毀敵方能力增強，可以采用多架無人機對同一目標進行攻擊，提高命中率和殺傷力等。多架無人機對多個目標進行攻擊，提高執行能力。

2 無人機編隊飛行面臨的問題

無人機在編隊飛行執行任務時，不僅需要解決單無人機飛行過程中必須的通信、數據融合、飛行控制等技術，還需要解決隊形保持、防撞避障、航跡規劃等問題[3]。

2.1 隊形保持問題

隊形保持即在無人機編隊飛行過程中，各個無人機之間需要保持相對的幾何位置不變。根據隊形保持的嚴格程度，可以分為群集編隊和嚴格編隊。群集編隊是指無人機編隊飛行時的拓撲結構并不嚴格要求遵循一種結構，而是整體按照某一拓撲結構進行移動，保證編隊正常飛行，此種編隊比較適用于對編隊飛行拓撲結構沒有嚴格要求的任務。而嚴格編隊則是指無人機在編隊飛行過程中各個無人機之間必須保持嚴格的幾何結構，適用于對相對位置要求較高的任務，比如需要完成精確定位的任務。

要完成編隊隊形保持，需要為無人機設計隊形保持控制器。而通過對無人機的模型進行分析，編隊中相鄰無人機之間的數學模型存在耦合，如果采用傳統的控制器設計方法，在設計過程中運算量太大，而且隨著無人機數量的增多，運算量增大迅速，無人機編隊的整體規模受到限制。因此需要設計合理控制器解決以上問題。

在執行某些任務時，不僅要求無人機編隊能夠保持隊形不變，可能還需要在飛行過程中根據任務要求實時改變編隊的拓撲結構，此時所設計的控制器不僅需要能夠保證隊形不變，還必須能夠實現隊形變換。

在編隊飛行過程中渦旋也是影響隊形保持的重要因素。隊形中長機的尾部和翼尖產生氣流對后面僚機的飛行造成影響，導致僚機不能按照已定的方向飛行，使得隊形出現偏差，因此需要設計相應的控制律來解決渦旋造成的影響[4]。

2.2 防撞避障問題

防撞是指在編隊中各個無人機之間避免相互碰撞；避障則是指在無人機編隊飛行時遇到障礙能夠避開的能力。防撞避障中最根本需要解決的是探測問題。在防撞過程中，編隊中的無人機需要能夠獲得其他無人機的位置信息或者將自己的位置信息發送給其他無人機；而在避障過程中無人機需要能夠躲避各種可能的障礙物，障礙物有可能是預知的，也有可能是未知的。對于預知的障礙，可以在進行航跡規劃時避開；而對于未知障礙，無人機需要具備實時處理障礙的能力。對于未知障礙的規避，必然導致無人機編隊偏離預定航跡，如何在盡量減少原路徑偏離量的情況下規避障礙是防撞避障所面臨的一個優化問題。

2.3 航跡規劃問題

在無人機編隊飛行時，不僅需要對其進行離線航跡規劃，避開已知障礙，還需要在飛行過程中實時更新航跡，保證無人機能夠避開新出現的障礙。而對航跡的進一步優化是航跡規劃問題的一個突破點。

3 無人機編隊飛行關鍵技術

3.1 編隊控制

為了解決編隊飛行時隊形保持面臨的問題，需要進行編隊控制。為了解決編隊中相鄰無人機之間的耦合，可以對傳統控制器進行改進。即對無人機編隊進行重新建模分成解耦部分和關聯部分，對解耦部分直接采用傳統控制器；而對關聯部分則采用改進的分布式控制器，通過結合兩個控制器來實現對編隊的控制，實現有效編隊保持[5]。

為了能夠實現編隊變換，可將需要的拓撲結構的幾何關系轉換成無人機編隊的相對運動方程，再結合無人機本身的模型建立關于無人機編隊的線性化方程，最后設計相應的控制律實現編隊變換[6]。

對于長機產生的渦旋，需要考慮無人機各方向受到的力及力矩，包括橫測向以及縱向受到的上洗速度和側洗速度等[7]。利用渦旋調整技術，通過對長機機翼進行調整，使得長機翼尖上的渦旋對僚機產生有利作用，從而保證編隊隊形不變。

3.2 防撞避障

無人機編隊飛行過程中，需要進行防撞避障。由于在無人機進行編隊控制時，各個無人機之間的距離是確定的，在控制律穩健的情況下，無人機之間不會發生碰撞，即防撞問題解決。而避障，也已經有很多較為成熟的方法，主要有：

（1） 通過航跡規劃的方法獲得編隊多條備選路徑，然后根據實際需要建立代價函數，并以障礙位置作為約束條件，最終獲得可以避障的路徑；

（2） 構造一個勢場函數，當無人機越靠近障礙物時，勢場函數越大；反之，勢場函數越小。因此通過最小化勢場函數來規避障礙物，獲得最佳路徑。另外還有利用回轉力的方法、改進模型預測控制等方法實現防撞避障[8?10]。

3.3 航跡規劃

無人機編隊的路徑規劃中在把編隊作為一個整體的條件下，可以看作單無人機航跡規劃進行處理。而單無人機航跡規劃主要分為兩大方向：最優式算法和啟發式算法。其中啟發式算法由于其計算方便而被廣泛應用，主要方法有：

（1） A*算法。將無人機所要到達目標視為一個點，通過設置一個估計函數來搜索區域中從當前位置到目標位置的權值，從而決定下一步搜索方向，最終得到無人機的路徑。

（2） 遺傳算法。在搜索之前對無人機的當前位置及其航跡進行編碼，隨機產生N個初始結構數據，代表所有可能的航跡；選取合適的適應度函數，通過選擇、交叉、變異得到下一代群體，通過不斷進化，最終得到最大適應度值的個體即為最優路徑。

另外還有粒子群優化算法、蟻群算法及Voronoi圖算法等。

4 結 語

由于無人機編隊有著單無人機無法比擬的優勢，使其必然成為未來無人機發展的新方向，能夠在更多的領域中使用。而要完成更多難度更大的任務，無人機編隊飛行必須提高整體能力。但目前無人機編隊還存在許多問題，要將其理論應用到實際當中去，還需要做進一步的研究和實踐。

參考文獻

[1] 李文皓，張珩.無人機編隊飛行技術的研究現狀與展望[J].飛行力學，2007，25（1）：9?10.

[2] 何真，陸宇平.無人機編隊隊形保持控制器的分散設計方法[J].航空學報，2008（z1）：56?58.

[3] 朱杰斌， 秦世引.無人機編隊飛行的分布式控制策略與控制器設計[J].智能系統學報，2010（5）：392?393.

[4] 劉建平.障礙空間中的無人機編隊控制研究[D].長春：吉林大學，2010.

[5] SAUNDERS J B， CALL B， CURTIS A， et al. Static and dynamic obstacle avoidance in miniature air vehicles， AIAA 2005–6950 [R]. Arlington， VA： Infotech@Aerospace， 2005.

[6] GAGNON E， RABBATH C A， LAUZON M. Receding horizons with headingconstraints for collision avoidance [C]// AIAA Guidance Navigation and Control Conference. [S.l.]： AIAA， 2005： 1?13.

[7] WANG X， YADAV V， BALAKRISHNAN S N. Cooperative UAV formation flyingwith obstacle/collision avoidance [J]. IEEE Transactions on Control SystemsTechnology， 2007， 15（4）： 672?679.

[8] 朱占霞，袁建平.無人機編隊飛行問題初探[J].飛行力學，2003，21（2）：5?7.

[9] 鄧婉，王新民，王曉燕，等.無人機編隊隊形保持變換控制器設計[J].計算機仿真，2011，28（10）：73?74.

[10] 劉小雄，章衛國，李廣文，等.無人機自主編隊飛行控制的技術問題[J].電光與控制，2006，13（6）：29?31.

要完成編隊隊形保持，需要為無人機設計隊形保持控制器。而通過對無人機的模型進行分析，編隊中相鄰無人機之間的數學模型存在耦合，如果采用傳統的控制器設計方法，在設計過程中運算量太大，而且隨著無人機數量的增多，運算量增大迅速，無人機編隊的整體規模受到限制。因此需要設計合理控制器解決以上問題。

在執行某些任務時，不僅要求無人機編隊能夠保持隊形不變，可能還需要在飛行過程中根據任務要求實時改變編隊的拓撲結構，此時所設計的控制器不僅需要能夠保證隊形不變，還必須能夠實現隊形變換。

在編隊飛行過程中渦旋也是影響隊形保持的重要因素。隊形中長機的尾部和翼尖產生氣流對后面僚機的飛行造成影響，導致僚機不能按照已定的方向飛行，使得隊形出現偏差，因此需要設計相應的控制律來解決渦旋造成的影響[4]。

2.2 防撞避障問題

防撞是指在編隊中各個無人機之間避免相互碰撞；避障則是指在無人機編隊飛行時遇到障礙能夠避開的能力。防撞避障中最根本需要解決的是探測問題。在防撞過程中，編隊中的無人機需要能夠獲得其他無人機的位置信息或者將自己的位置信息發送給其他無人機；而在避障過程中無人機需要能夠躲避各種可能的障礙物，障礙物有可能是預知的，也有可能是未知的。對于預知的障礙，可以在進行航跡規劃時避開；而對于未知障礙，無人機需要具備實時處理障礙的能力。對于未知障礙的規避，必然導致無人機編隊偏離預定航跡，如何在盡量減少原路徑偏離量的情況下規避障礙是防撞避障所面臨的一個優化問題。

2.3 航跡規劃問題

在無人機編隊飛行時，不僅需要對其進行離線航跡規劃，避開已知障礙，還需要在飛行過程中實時更新航跡，保證無人機能夠避開新出現的障礙。而對航跡的進一步優化是航跡規劃問題的一個突破點。

3 無人機編隊飛行關鍵技術

3.1 編隊控制

為了解決編隊飛行時隊形保持面臨的問題，需要進行編隊控制。為了解決編隊中相鄰無人機之間的耦合，可以對傳統控制器進行改進。即對無人機編隊進行重新建模分成解耦部分和關聯部分，對解耦部分直接采用傳統控制器；而對關聯部分則采用改進的分布式控制器，通過結合兩個控制器來實現對編隊的控制，實現有效編隊保持[5]。

為了能夠實現編隊變換，可將需要的拓撲結構的幾何關系轉換成無人機編隊的相對運動方程，再結合無人機本身的模型建立關于無人機編隊的線性化方程，最后設計相應的控制律實現編隊變換[6]。

對于長機產生的渦旋，需要考慮無人機各方向受到的力及力矩，包括橫測向以及縱向受到的上洗速度和側洗速度等[7]。利用渦旋調整技術，通過對長機機翼進行調整，使得長機翼尖上的渦旋對僚機產生有利作用，從而保證編隊隊形不變。

3.2 防撞避障

無人機編隊飛行過程中，需要進行防撞避障。由于在無人機進行編隊控制時，各個無人機之間的距離是確定的，在控制律穩健的情況下，無人機之間不會發生碰撞，即防撞問題解決。而避障，也已經有很多較為成熟的方法，主要有：

（1） 通過航跡規劃的方法獲得編隊多條備選路徑，然后根據實際需要建立代價函數，并以障礙位置作為約束條件，最終獲得可以避障的路徑；

（2） 構造一個勢場函數，當無人機越靠近障礙物時，勢場函數越大；反之，勢場函數越小。因此通過最小化勢場函數來規避障礙物，獲得最佳路徑。另外還有利用回轉力的方法、改進模型預測控制等方法實現防撞避障[8?10]。

3.3 航跡規劃

無人機編隊的路徑規劃中在把編隊作為一個整體的條件下，可以看作單無人機航跡規劃進行處理。而單無人機航跡規劃主要分為兩大方向：最優式算法和啟發式算法。其中啟發式算法由于其計算方便而被廣泛應用，主要方法有：

（1） A*算法。將無人機所要到達目標視為一個點，通過設置一個估計函數來搜索區域中從當前位置到目標位置的權值，從而決定下一步搜索方向，最終得到無人機的路徑。

（2） 遺傳算法。在搜索之前對無人機的當前位置及其航跡進行編碼，隨機產生N個初始結構數據，代表所有可能的航跡；選取合適的適應度函數，通過選擇、交叉、變異得到下一代群體，通過不斷進化，最終得到最大適應度值的個體即為最優路徑。

另外還有粒子群優化算法、蟻群算法及Voronoi圖算法等。

4 結 語

由于無人機編隊有著單無人機無法比擬的優勢，使其必然成為未來無人機發展的新方向，能夠在更多的領域中使用。而要完成更多難度更大的任務，無人機編隊飛行必須提高整體能力。但目前無人機編隊還存在許多問題，要將其理論應用到實際當中去，還需要做進一步的研究和實踐。

參考文獻

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[4] 劉建平.障礙空間中的無人機編隊控制研究[D].長春：吉林大學，2010.

[5] SAUNDERS J B， CALL B， CURTIS A， et al. Static and dynamic obstacle avoidance in miniature air vehicles， AIAA 2005–6950 [R]. Arlington， VA： Infotech@Aerospace， 2005.

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[9] 鄧婉，王新民，王曉燕，等.無人機編隊隊形保持變換控制器設計[J].計算機仿真，2011，28（10）：73?74.

[10] 劉小雄，章衛國，李廣文，等.無人機自主編隊飛行控制的技術問題[J].電光與控制，2006，13（6）：29?31.

要完成編隊隊形保持，需要為無人機設計隊形保持控制器。而通過對無人機的模型進行分析，編隊中相鄰無人機之間的數學模型存在耦合，如果采用傳統的控制器設計方法，在設計過程中運算量太大，而且隨著無人機數量的增多，運算量增大迅速，無人機編隊的整體規模受到限制。因此需要設計合理控制器解決以上問題。

在執行某些任務時，不僅要求無人機編隊能夠保持隊形不變，可能還需要在飛行過程中根據任務要求實時改變編隊的拓撲結構，此時所設計的控制器不僅需要能夠保證隊形不變，還必須能夠實現隊形變換。

在編隊飛行過程中渦旋也是影響隊形保持的重要因素。隊形中長機的尾部和翼尖產生氣流對后面僚機的飛行造成影響，導致僚機不能按照已定的方向飛行，使得隊形出現偏差，因此需要設計相應的控制律來解決渦旋造成的影響[4]。

2.2 防撞避障問題

防撞是指在編隊中各個無人機之間避免相互碰撞；避障則是指在無人機編隊飛行時遇到障礙能夠避開的能力。防撞避障中最根本需要解決的是探測問題。在防撞過程中，編隊中的無人機需要能夠獲得其他無人機的位置信息或者將自己的位置信息發送給其他無人機；而在避障過程中無人機需要能夠躲避各種可能的障礙物，障礙物有可能是預知的，也有可能是未知的。對于預知的障礙，可以在進行航跡規劃時避開；而對于未知障礙，無人機需要具備實時處理障礙的能力。對于未知障礙的規避，必然導致無人機編隊偏離預定航跡，如何在盡量減少原路徑偏離量的情況下規避障礙是防撞避障所面臨的一個優化問題。

2.3 航跡規劃問題

在無人機編隊飛行時，不僅需要對其進行離線航跡規劃，避開已知障礙，還需要在飛行過程中實時更新航跡，保證無人機能夠避開新出現的障礙。而對航跡的進一步優化是航跡規劃問題的一個突破點。

3 無人機編隊飛行關鍵技術

3.1 編隊控制

為了解決編隊飛行時隊形保持面臨的問題，需要進行編隊控制。為了解決編隊中相鄰無人機之間的耦合，可以對傳統控制器進行改進。即對無人機編隊進行重新建模分成解耦部分和關聯部分，對解耦部分直接采用傳統控制器；而對關聯部分則采用改進的分布式控制器，通過結合兩個控制器來實現對編隊的控制，實現有效編隊保持[5]。

為了能夠實現編隊變換，可將需要的拓撲結構的幾何關系轉換成無人機編隊的相對運動方程，再結合無人機本身的模型建立關于無人機編隊的線性化方程，最后設計相應的控制律實現編隊變換[6]。

對于長機產生的渦旋，需要考慮無人機各方向受到的力及力矩，包括橫測向以及縱向受到的上洗速度和側洗速度等[7]。利用渦旋調整技術，通過對長機機翼進行調整，使得長機翼尖上的渦旋對僚機產生有利作用，從而保證編隊隊形不變。

3.2 防撞避障

無人機編隊飛行過程中，需要進行防撞避障。由于在無人機進行編隊控制時，各個無人機之間的距離是確定的，在控制律穩健的情況下，無人機之間不會發生碰撞，即防撞問題解決。而避障，也已經有很多較為成熟的方法，主要有：

（1） 通過航跡規劃的方法獲得編隊多條備選路徑，然后根據實際需要建立代價函數，并以障礙位置作為約束條件，最終獲得可以避障的路徑；

（2） 構造一個勢場函數，當無人機越靠近障礙物時，勢場函數越大；反之，勢場函數越小。因此通過最小化勢場函數來規避障礙物，獲得最佳路徑。另外還有利用回轉力的方法、改進模型預測控制等方法實現防撞避障[8?10]。

3.3 航跡規劃

無人機編隊的路徑規劃中在把編隊作為一個整體的條件下，可以看作單無人機航跡規劃進行處理。而單無人機航跡規劃主要分為兩大方向：最優式算法和啟發式算法。其中啟發式算法由于其計算方便而被廣泛應用，主要方法有：

（1） A*算法。將無人機所要到達目標視為一個點，通過設置一個估計函數來搜索區域中從當前位置到目標位置的權值，從而決定下一步搜索方向，最終得到無人機的路徑。

（2） 遺傳算法。在搜索之前對無人機的當前位置及其航跡進行編碼，隨機產生N個初始結構數據，代表所有可能的航跡；選取合適的適應度函數，通過選擇、交叉、變異得到下一代群體，通過不斷進化，最終得到最大適應度值的個體即為最優路徑。

另外還有粒子群優化算法、蟻群算法及Voronoi圖算法等。

4 結 語

由于無人機編隊有著單無人機無法比擬的優勢，使其必然成為未來無人機發展的新方向，能夠在更多的領域中使用。而要完成更多難度更大的任務，無人機編隊飛行必須提高整體能力。但目前無人機編隊還存在許多問題，要將其理論應用到實際當中去，還需要做進一步的研究和實踐。

參考文獻

[1] 李文皓，張珩.無人機編隊飛行技術的研究現狀與展望[J].飛行力學，2007，25（1）：9?10.

[2] 何真，陸宇平.無人機編隊隊形保持控制器的分散設計方法[J].航空學報，2008（z1）：56?58.

[3] 朱杰斌， 秦世引.無人機編隊飛行的分布式控制策略與控制器設計[J].智能系統學報，2010（5）：392?393.

[4] 劉建平.障礙空間中的無人機編隊控制研究[D].長春：吉林大學，2010.

[5] SAUNDERS J B， CALL B， CURTIS A， et al. Static and dynamic obstacle avoidance in miniature air vehicles， AIAA 2005–6950 [R]. Arlington， VA： Infotech@Aerospace， 2005.

[6] GAGNON E， RABBATH C A， LAUZON M. Receding horizons with headingconstraints for collision avoidance [C]// AIAA Guidance Navigation and Control Conference. [S.l.]： AIAA， 2005： 1?13.

[7] WANG X， YADAV V， BALAKRISHNAN S N. Cooperative UAV formation flyingwith obstacle/collision avoidance [J]. IEEE Transactions on Control SystemsTechnology， 2007， 15（4）： 672?679.

[8] 朱占霞，袁建平.無人機編隊飛行問題初探[J].飛行力學，2003，21（2）：5?7.

[9] 鄧婉，王新民，王曉燕，等.無人機編隊隊形保持變換控制器設計[J].計算機仿真，2011，28（10）：73?74.

[10] 劉小雄，章衛國，李廣文，等.無人機自主編隊飛行控制的技術問題[J].電光與控制，2006，13（6）：29?31.