无人机编队避障与控制技术研究现状及发展趋势

查勇

（四川天府新区通用航空职业学院，四川 成都 620564）

避障问题是无人机编队飞行中需要重点考虑的内容。避障的目的是保证无人机在编队飞行中不会受到外界环境及机间影响，降低事故发生率，提高工作完成质量。不过，就目前专业技术水平而言，避障工作还存在一些问题有待解决，本文就对无人机编队避障进行探讨分析，并根据现状提出合理的解决措施。

1 多架无人机协同编队飞行

无人机编队飞行已经成为军事领域、科研工作者日常工作的重点内容，无人机编队飞行中，要求做好队形设计、气动耦合，控制无人机间的安全距离，做好动态化科学调整，维持航迹的准确性、安全性，以便高效完成指定工作。我国目前针对无人机编队飞行的研究还处于发展阶段，仍需深入研究，以便为我国军事事业发展贡献力量。

2 优点

无人机编队飞行在军事领域中的应用，可以提高侦查和单次作战效率，为军事人员提供更加完善的数据资料，维护作战安全性。无人机编队飞行可以从不同角度对侦查区域的具体情况进行了解，使相关人员准确掌握侦查区域地形地势特征，以及存在的电磁信号干扰情况，对方人员、设备等的分布情况等，准确评估战场情况。同时，无人机上附带的相机拍摄功能，可以在短时间内将侦查现场情况快速传输到总部，缩短信息传输时间，避免信息截取的可能，便于总部人员及时调整作战方案。利用无人机还可以实现多个地方的同时攻击，减少因时间差引发的危险事故，增大作战的成功率。

3 无人机编队避障与控制技术研究现状

3.1 无人机编队防碰撞

无人机编队避障和控制技术的研究是为让无人机在协同作业中，不会因与周边障碍物的碰撞或无人机相互间的碰撞而出现故障问题，进而使任务失败的一种方式。在无人机编队飞行中，编队内无人机数量会直接影响编队飞行效果。数量较少，在编队飞行中，一旦出现碰撞问题，损毁的一架无人机会对任务执行情况带来不良影响。如果数量较多，在无人机编队飞行中，则会因为间距把控不到位、障碍物等因素，导致碰撞事故的发生，并产生一系列连锁反应，阻碍任务完成。为此，在无人机编队障壁和控制过程中，需做好无人机航迹规划作业，考虑协同避障内容，以维护无人机编队飞行的安全性。

在研究无人机编队防碰撞的过程中，针对目前几种方式展开探究，得出结果为：协同航迹规划还存在一些问题，虽然能够减少碰撞，但只适用于合作型无人机，其他情况下效果不明显；几何最优法在使用中，虽然是以入侵机的原点掌握无人机编队飞行的速度和位置，解决速度矢量与保护圆相交存在的矛盾，但也仅仅适用于二维平面内，范围受限。

利用DUBINS 曲线处理无人机编队防碰撞，将两架固定翼无人机放置在同等高度且有障碍物的环境下，规划飞行路径，借助传统的搜索算法找出无人机飞行中最短的避障路径，以此增强防碰撞效果。在同高度飞行状态下，充分利用无人机间的运动关系，以向量共享方式和路径规划内容，计算得出防止碰撞产生的路径。不过，该方法在使用中，因为不能充分考虑无人机之间的约束效果，只是借助路径调控完成避障行为，容易使任务执行中问题增加，影响任务完成度。

虚拟结构法，其与人工势场法有效结合起来，利用虚拟操作对无人机编队飞行中存在的误差值实行收集和分析，找出可能引发碰撞的因素，重新设定无人机安全间距，保持队形的稳定性和精确性，改善障碍物规避效果。在人工势场下，需要以新的函数指标实现无人机编队避障效果，维持编队队形的持久性，减少危险的发生。为此，可尝试将传统算法和新的函数算法结合起来，获取更加精准的数据资料，提高无人机编队飞行中对障碍物的敏感度，保证队形稳定性。

透光性假说模型的构建，针对的是密集编队存在的碰撞问题。通过模型建立及LMPC 控制理论的应用，生成完善的防碰撞控制器，以此控制无人机编队飞行中存在的碰撞问题，减少损失。但该方法在避障问题处理上略显不足，仍需进一步研究。

3.2 无人机机间防碰撞

针对人工势场引发的无人机机间碰撞问题，在处理中，可以先利用引力和斥力模型，了解两者间的关联，之后将每台无人机设置成移动障碍物，在斥力引力作用下，无人机可自动排斥周边障碍物，避免机间碰撞的产生。另外，应通过虚拟障碍物的构建提高无人机编队飞行的敏感度，减少人工势场趋于最低值时引发的碰撞问题。利用BEZIER 曲线开展无人机编队飞行中平滑性的调整和控制，这样在飞行过程中，即使无人机作大角度转弯变化，也不会对航迹路线构成威胁，直接控制转弯时因间距缩短导致的碰撞现象，维持无人机编队飞行的稳定性、顺畅性。

对无人机机间防碰撞的研究发现，以传统的人工势场法开展无人机航迹规划时，容易出现局部极小点、受迫性碰撞及目标点无法达到等情况，削弱避障效果。为解决这一问题，需对传统的人工势场法进行改进和优化，创建新的轨迹划算法，避免上述问题的出现。该方法是通过方向协调能力的提升，控制无人机与目标点间距，进而加强避障效果。分析无人机与目标点间距变化带来的影响，创建新的斥力函数，两者缩小时，斥力函数也会逐渐缩小，直至为零，确保目标点能够达到规定要求，反之，则说明目标点无法达到。

无人机编队内部存在的避障问题，可利用预测控制法及航路回归模型进行解决。前者可在无人机发生碰撞前，对间距进行调整，在保证航迹方向不变的情况下，维持飞行稳定性。后者可以改善无人机编队飞行中的控制效率，将无人机编队飞行的具体情况快速回传到指定系统内，及时调整飞行航线，以达到避障控制的目的。

4 无人机编队避障与控制技术发展趋势

4.1 密集编队避障与控制

无人机密集编队飞行避障控制技术的研究存在薄弱部分，密集编队一旦出现碰撞问题，将会产生一系列连锁反应，进而增加损失率，降低任务成功率。在密集编队飞行过程中，无人机机间距本身就较小，一旦遇到障碍物，一台无人机会因为斥力出现躲避情况，直接缩短与相连无人机的间距，本身较小的距离再次缩短，直到无人机碰撞。相邻无人机均会存在上述情况，进而产生一系列连锁反应，导致无人机全部无法使用。

虽然目前科研企业有将鸟类透光避障原理模型应用到密集编队避障和控制中来，但对于静态和动态规避技术，还存在滞后性，难以解决上述问题。为此，在以后发展中，有必要针对这一问题展开深度讨论。目前，在解决密集编队避障和控制问题上，有网络分隔法、协同避障法、透光性避障法这三种，如果单独使用，效果不明显，但如果能够融合应用，借助三种方法的优势，便可有效提升密集编队避障和控制水平。以网络分隔法将密集编队无人机划分成若干小组，分别对各个小组展开调度和控制，做好整体无人机管控。利用透光性对无人机间距进行科学调整，使其在编队飞行中不会存在连锁碰撞现象。最后，再利用协同避障法，对密集编队存在的空间影响因素进行计算，优化躲避性能。

4.2 干扰避障及控制技术

无人机编队飞行中，与障碍物距离越近，越容易受到自然环境和人为因素的影响，导致无人机上的探测设备、通信设备和网络拓扑结构发生改变，最终收集的数据资料存在传输不畅、连接中断，数据丢失、测量误差增大。现阶段，对干扰避障和控制技术的研究力度较弱，多是以具体情况展开调整，但因反应时间较慢，难免会存在一些危险因素。为此，可以将智能化技术融入其中，快速识别存在的干扰因素，做好相关函数计算，在临近干扰物时，快速反应，从而降低碰撞的可能。

4.3 密集障碍物避障和控制技术

无人机编队飞行中，可能会因为遇到复杂山区地形或中心城市，导致无人机编队飞行中存在较多障碍物，但由于复杂性限制，无法及时调整编队队形，增加无人机编队难度。为此，有必要构建一体化智能管理系统，减少接近障碍物时存在的各种干扰因素，保证无人机数据采集和传输的快速性、合理性，也可以通过智能化技术的应用，实现无人机的科学调控，针对复杂环境变化，快速调整编队队形。

5 结语

希望上文论述可以对相关人员有所帮助，深入掌握无人机编队避障与控制技术及其未来发展趋势，在以后能够加大研究深度，提升该项技术水平，从而拓宽行业的前行路径。