编队无人机控制方法研究

随着科学技术水平的不断进步，无人飞机慢慢的被人们重视了起来，它相对于载人飞机而言拥有很多优势，例如体积小，使用方便，成本低廉，生存和隐蔽能力强，可保证操作人员生命安全等。所以在特定的场合，它已经取代载人飞机，执行一些探查，跟踪，电子对抗和协助军事打击等一系列任务，在民用范畴，它也逐渐被开发于勘探地形，抢险救灾，喷洒农药和环境保护等等方面。目前世界各国都在着力于研发更加成熟和高效的无人机技术应用，无人机编队的发展也日益迅猛。

然而，随着任务复杂度的日益增长，对无人机的要求也越来越高，单个无人机在很多时候都不适合这种任务变化，设备偶然损坏，工作区间狭小，载重量不高和执行任务单一等等问题不断制约着单个无人机的发展。而解决这些问题的最简单的方法就是采用多个无人机进行编队共同执行任务，就像自然界中的大雁南飞一样。这样无人机之间可以进行技术互补，飞行范围和工作多样性都进行了大大的提高，如果其中一两个无人机出现了故障，也不会影响到整体无人机的任务目标，其余无人机仍然可以继续完成任务，从而减少因偶然故障因素带来的任务失败风险。因此，专家们逐渐注意到了无人机编队这一研究方向，希望通过编队飞行的方式来减少这方面的风险。经过一系列研究发现，编队飞行时由于飞机之间的相互气流作用，可以有效地减少行进间所受到的空气阻力，从而减少飞行过程中的能量消耗。此外，当无人机在相对密集的队形之下，雷达观测屏上只能检测到无人机存在的信号，并不会展现出每一架无人机的具体信息，因此，这样做能够在军事战争中大大的干扰敌方指挥官的作战判断，实现出奇制胜的战略意图。

美国是现今社会公认的无人机强国，也是最早研究无人机并将其应用于军事领域国家之一。近些年以美国为主导的局部战争之中不难看出，美国已经发展出了有关于无人机的多种战术体系，成为了无人机应用领域的领头羊，其国内无人机型号琳琅满目，各有所长，是当今无人机界的教科书级范例，这其中就数掠食者无人侦察机和全球鹰军用无人机最为人所知，他们在海湾战争、科索沃和伊拉克等等战争中表现出众，为最后的胜利打下了坚实的信息基础。此外，以色列、俄罗斯和一些其他欧洲国家也有着丰富的无人机种类，它们各有所长，在此不再——赘述。

中国无人机发展历史比较坎坷，大部分无人机都是仿照国外无人机制作出来的，例如长空一号、长虹一号等等，同时，中国也从国外引进了一些无人机如哈比无人机等，这都大大促进了中国无人机事业的发展。虽然目前无人机事业发展日益迅猛，但是距离世界前沿水平还有一定的距离。

本文主要从两个方面探讨无人机控制，第一种是同步控制分析。我们研究无人机的编队飞行控制的方向是让无人机在飞行或者是在执行任务的过程中保持期望的队形。首先，无人机机群的目标机群位置和他们的当前机群的位置存在一些位置误差，我们的目标就是利用这个误差，通过相关的数值运算来获得各个无人机的矫正命令，以期通过矫正命令来让无人机机群达到期望速度。然后将这些期望的速度传给相应的编队无人机，编队无人机收到速度的指令后通过控制各自的速度，飞向各个无人机的期望位置，进而保证整个无人机编队的队形保持。

第二种是主从控制分析。对无人机进行编队控制的主要目的，其实就是想让编队无人机在完成各自所执行的任务的同时，保持它们的稳定队形，以一个稳定高效的队形完成各种需要。那么为了达成这个目标，首先就要选定一个作为领头羊的主机进行领队工作，其余的无人飞行器跟随主机在空中编队飞行，也就是僚机。这样就可以通过控制主机的期望位置来控制三个乃至更多的编队无人机机群期望位置，通过控制主机与僚机之间的相对位置来控制无人机机群的队形，以此来控制编队无人机的编队飞行。

上面提到的这两种无人机编队飞行控制策略，虽然最后都可以让三个无人机编队机群保持不变的队形进行飞行，但是仍有两点不同：

（1）这两种无人机编队飞行控制策略的可操作难度有所不同。第一种同步控制策略必须先确定一个期望的无人机编队飞行队形，这个无人机编队飞行队形需要用到一个超椭圆方程来进行描述。如果方程取的不相同的参数进行运算，相应的，就会得到不相同的无人飞行器的飞行队形。因此就能使无人机编队飞行的队形变得更加的灵活而方便操控，我们只需要改变相应的超椭圆的参数，就可以根据实际情况的需要，得到不同的无人机编队飞行队形。但是另一种编队飞行控制策略，即基于主一从结构的编队飞行控制策略，因为它的队形取决于每个无人机相对主机的方向和距离，所以想要进行队形的变换就会比较麻烦，不容易在实际情况中做出改变，因而不易进行操控。

（z）这两种无人机编队飞行控制策略的容错率不同。同步控制策略中，如果其中的某一些编队无人机在执行任务的过程中因损坏而停止工作，因为维持整个队形并不取决于任何单一的无人机状态，所以编队无人机机群就可以按照期望队形向前飞行。但是另一種无人机控制策略，即基于主一从结构的编队控制策略，如果主机在执行任务的过程中发生了故障，那么整个无人机编队机群将产生干扰，无法保持原有的无人机编队队形继续飞行。

其实，基于主一从结构的无人飞行器编队飞行策略也有它的好处，比如它能够在不影响其它的僚机的同时，随意地改变主机与僚机之间的相对距离，也可以在执行任务的过程中随时加入一些其他的新的僚机，而且它的控制器设计相对于同步编队控制策略更加简洁直观，方便让人理解。

目前人工智能高速发展，智能机器人技术已经逐渐成熟，相信用不了多久，就能应用到编队无人机的使用当中，从而让编队无人机更好的为我们服务。

作者简介：赵银申（1994.11-），籍贯：河北香河，工作省市：吉林省双辽市，省市邮编：136400，学历：大学本科，专业研究方向：飞行管制。