無人機(jī)多目標(biāo)協(xié)同飛行精度研究

馬文良

無人機(jī)多目標(biāo)飛行在執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的性能和效率上比單架次高出許多，因此無人機(jī)多目標(biāo)飛行已經(jīng)成為無人機(jī)應(yīng)用研究的熱點(diǎn)問題。本文對(duì)影響無人機(jī)多目標(biāo)協(xié)同飛行精度因素進(jìn)行了分析，提出了利用協(xié)同點(diǎn)計(jì)算的輔助計(jì)算方法，對(duì)提高無人機(jī)多目標(biāo)飛行協(xié)同精度起到輔助決策作用。

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境及作戰(zhàn)任務(wù)越發(fā)復(fù)雜，對(duì)無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)的要求也越來越高，僅僅依靠單架無人機(jī)完成任務(wù)的缺陷已經(jīng)十分明顯，而對(duì)于無人機(jī)多目標(biāo)飛行的需求正不斷上升。無人機(jī)多目標(biāo)飛行，即多架無人機(jī)為適應(yīng)任務(wù)要求而進(jìn)行的某種隊(duì)形排列和任務(wù)分配的組織模式。和單架無人機(jī)相比，無人機(jī)多目標(biāo)飛行可以將任務(wù)的執(zhí)行效率大大提高，更好的滿足任務(wù)需求，但在實(shí)際飛行中，無人機(jī)多目標(biāo)協(xié)同飛行將受到某些因素的影響，進(jìn)而協(xié)同飛行精度也隨之受到影響。本文基于對(duì)影響無人機(jī)多目標(biāo)協(xié)同飛行精度的因素進(jìn)行分析，提出協(xié)同飛行輔助計(jì)算方法，在實(shí)際飛行中可及時(shí)對(duì)無人機(jī)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，進(jìn)而滿足任務(wù)要求。

影響無人機(jī)多目標(biāo)協(xié)同飛行精度的因素及分析

根據(jù)任務(wù)要求，無人機(jī)多目標(biāo)飛行將會(huì)受到某些約束條件的限制，例如要求無人機(jī)之間保持固定距離、到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的時(shí)間控制在一定范圍內(nèi)等，而影響無人機(jī)完成任務(wù)的因素有許多，其中主要包括環(huán)境因素、起飛時(shí)間間隔、轉(zhuǎn)彎速度、飛行高度及無人機(jī)型號(hào)等。

環(huán)境因素

本文考慮的環(huán)境因素主要是風(fēng)速及風(fēng)向。無人機(jī)起飛對(duì)起飛地點(diǎn)的風(fēng)速風(fēng)向是有一定要求的，因此在起飛時(shí)要根據(jù)起飛地點(diǎn)的風(fēng)速風(fēng)向選擇發(fā)射方向，這樣就有可能產(chǎn)生無人機(jī)起飛段偏離預(yù)定航線的情況，與仿真計(jì)算產(chǎn)生了時(shí)間差，如果無人機(jī)選擇在不同的地點(diǎn)起飛，在起飛段產(chǎn)生的時(shí)間差就更難估計(jì)，需要在起飛后進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，進(jìn)而滿足任務(wù)要求。如圖1所示，直線A為無人機(jī)設(shè)計(jì)航線，在實(shí)際飛行中，受起飛地點(diǎn)的風(fēng)速風(fēng)向影響，無人機(jī)無法直接進(jìn)入航線，只能以實(shí)際航線B飛行，如此就產(chǎn)生了時(shí)間差，需要在后續(xù)飛行過程中進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

起飛時(shí)間間隔

在執(zhí)行多目標(biāo)飛行任務(wù)時(shí)，需要每架無人機(jī)按照預(yù)先設(shè)定的時(shí)間間隔起飛，然而在實(shí)際操作中，可能會(huì)受到人為因素、環(huán)境因素、無人機(jī)個(gè)體差異等影響，兩架無人機(jī)之間的起飛時(shí)間間隔很難保證為預(yù)定的時(shí)間間隔，將會(huì)產(chǎn)生時(shí)間差，需要無人機(jī)在后續(xù)飛行過程中進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，盡快消除時(shí)間差的影響，滿足任務(wù)要求。

轉(zhuǎn)彎速度

無人機(jī)在空中飛行會(huì)受到空中風(fēng)的影響，使得無人機(jī)在轉(zhuǎn)彎時(shí)速度無法按照預(yù)定速度進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，造成無人機(jī)轉(zhuǎn)彎半徑發(fā)生變化，實(shí)際飛行航線偏離預(yù)定航線，飛行時(shí)間會(huì)隨之發(fā)生變化，如圖2所示，預(yù)定航線為A，無人機(jī)受到影響轉(zhuǎn)彎半徑變大，實(shí)際航線為B，實(shí)際航線與預(yù)定航線產(chǎn)生偏差，飛行時(shí)間隨之發(fā)生變化，進(jìn)而影響無人機(jī)協(xié)同飛行。此外，無人機(jī)在轉(zhuǎn)彎時(shí)姿態(tài)將發(fā)生較大變化，不宜對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，需要在無人機(jī)完成轉(zhuǎn)彎且姿態(tài)平穩(wěn)后進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。

飛行高度

隨著無人機(jī)飛行高度的增加，其受到的升力、阻力及發(fā)動(dòng)機(jī)效率將會(huì)發(fā)生較大變化，同時(shí)，不同高度空中風(fēng)的速度與方向也會(huì)不同，使得實(shí)際飛行情況與理論航線及仿真計(jì)算結(jié)果有較大差距，因此，需要在實(shí)際飛行中需要及時(shí)觀察無人機(jī)飛行速度，針對(duì)速度差距及時(shí)進(jìn)行修正，進(jìn)而滿足多目標(biāo)協(xié)同飛行要求。

無人機(jī)型號(hào)

依據(jù)任務(wù)要求，將對(duì)無人機(jī)協(xié)同飛行的型號(hào)進(jìn)行要求，對(duì)要求不同型號(hào)無人機(jī)協(xié)同飛行時(shí)，在以上4點(diǎn)需要考慮外，還需要特別考慮不同型號(hào)無人機(jī)速度差異及速度調(diào)整難度的情況。在任務(wù)規(guī)劃時(shí)針對(duì)無人機(jī)型號(hào)不同需認(rèn)真考慮航線規(guī)劃、起飛順序、起飛間隔時(shí)間及在飛行過程中遇到突發(fā)情況對(duì)哪型無人機(jī)進(jìn)行何種調(diào)整等。

無人機(jī)多目標(biāo)協(xié)同飛行輔助計(jì)算方法

假設(shè)某任務(wù)要求無人機(jī)A與無人機(jī)B同時(shí)到達(dá)各自航線的C點(diǎn)與D點(diǎn)（如圖3所示），在實(shí)際飛行過程中，無人機(jī)A與無人機(jī)B由于受到上述因素的影響，無法按照模擬仿真的情況進(jìn)行協(xié)同飛行，這樣就需要在無人機(jī)飛行過程中采取有效計(jì)算，有針對(duì)性的進(jìn)行某些調(diào)整，進(jìn)而消除無人機(jī)A與無人機(jī)B不協(xié)同的實(shí)際情況。

針對(duì)示例中提出的無人機(jī)受影響無法保持協(xié)同飛行的情況，采取在無人機(jī)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)前增加協(xié)同點(diǎn)的辦法，計(jì)算無人機(jī)到達(dá)協(xié)同點(diǎn)的時(shí)間差，對(duì)無人機(jī)速度進(jìn)行調(diào)整，具體步驟如下：

（1）利用公式（1）計(jì)算無人機(jī)當(dāng)前點(diǎn)與協(xié)同點(diǎn)之間的距離；

D=R*arccos[cos（βl）*（cosβ2）*

cos（αl-α2）+sin（βl）*sin（β2）]

（1）

其中，R為地球半徑，（αl，β1）為無人機(jī)當(dāng)前點(diǎn)坐標(biāo)，（α2，β2）為協(xié)同點(diǎn)坐標(biāo)。

（2）根據(jù)第一步中計(jì)算得到的距離及無人機(jī)航速分別計(jì)算兩架無人機(jī)到達(dá)協(xié)同點(diǎn)的時(shí)間；

t=D/V

（2）

其中，V為無人機(jī)航速。

（3）計(jì)算兩架無人機(jī)到達(dá)協(xié)同點(diǎn)的時(shí)間差，判斷無人機(jī)到達(dá)協(xié)同點(diǎn)的先后順序；

（4）根據(jù)無人機(jī)控制特點(diǎn)，對(duì)無人機(jī)速度進(jìn)行調(diào)整；

（5）重復(fù)（1）一（4）的計(jì)算工作，直到滿足協(xié)同飛行要求。

如圖3所示，利用上述計(jì)算步驟，假設(shè)無人機(jī)A當(dāng)前坐標(biāo)為（123.01°，35.94°），無人機(jī)B當(dāng)前坐標(biāo)為（123.26°，35.88°），兩架無人機(jī)當(dāng)前速度為lOOm/s，協(xié)同點(diǎn)坐標(biāo)為（123.41°，36.37°），要求無人機(jī)A與無人機(jī)B到達(dá)協(xié)同點(diǎn)的時(shí)間間隔小于1s。利用上述計(jì)算步驟進(jìn)行仿真計(jì)算，假設(shè)無人機(jī)A速度保持不變，對(duì)無人機(jī)B進(jìn)行速度調(diào)整，仿真結(jié)果如圖4所示，最終兩架無人機(jī)達(dá)到協(xié)同點(diǎn)的時(shí)間間隔為0.96s，滿足要求。

增加協(xié)同點(diǎn)的方法可以判斷無人機(jī)協(xié)同飛行情況，通過計(jì)算對(duì)無人機(jī)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，將有效提高無人機(jī)多目標(biāo)協(xié)同飛行精度，滿足任務(wù)要求。

總結(jié)

本文對(duì)無人機(jī)多目標(biāo)協(xié)同飛行進(jìn)行了研究，對(duì)影響無人機(jī)多目標(biāo)協(xié)同飛行精度的因素進(jìn)行了分析，提出了利用協(xié)同點(diǎn)實(shí)時(shí)計(jì)算的輔助方法，可以判斷無人機(jī)協(xié)同飛行情況，及時(shí)對(duì)無人機(jī)采取合理調(diào)整，使無人機(jī)協(xié)同飛行精度提高，圓滿完成無人機(jī)多目標(biāo)協(xié)同飛行任務(wù)。