引言
在多無人機編隊控制領(lǐng)域，如何在復(fù)雜障礙環(huán)境中實現(xiàn)安全、平滑、實時的飛行軌跡規(guī)劃，一直是無人機自主控制研究的關(guān)鍵難題。北京航空航天大學研究團隊提出了一種基于分布式編隊控制方法與在線軌跡規(guī)劃的新型多無人機編隊控制策略，并在室內(nèi)環(huán)境中結(jié)合 NOKOV 度量動作捕捉系統(tǒng)完成了實驗驗證。
一、研究背景
傳統(tǒng)的多無人機編隊控制方法大多采用集中式架構(gòu)，由領(lǐng)導(dǎo)者無人機獲取全局信息之后將參考信號發(fā)送給每一臺無人機，對通信資源的要求較高且系統(tǒng)整體魯棒性較差。相比之下，分布式編隊控制成為近些年的研究熱點。
目前國內(nèi)外關(guān)于復(fù)雜障礙環(huán)境中的多無人機編隊控制研究仍然存在局限性，難以廣泛應(yīng)用。為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，北京航空航天大學研究團隊提出一種基于在線規(guī)劃的無人機編隊控制方法，并在實驗中引入 NOKOV 度量動作捕捉定位系統(tǒng)，用于獲取無人機高精度位姿數(shù)據(jù)。
二、研究方法概述：分布式編隊控制 + 在線軌跡規(guī)劃
本文的主要技術(shù)創(chuàng)新包括：
1.編隊中心軌跡與編隊尺寸在線規(guī)劃算法
提出一種全新的編隊中心軌跡和編隊尺寸在線規(guī)劃算法，能夠在提升軌跡光滑程度的同時提升編隊控制的安全性。
2.基于非線性動力學模型的分布式編隊控制方法
基于完整的無人機非線性動力學模型，提供了一分布式編隊控制方法，解決了復(fù)雜障礙環(huán)境中多無人機編隊的實時避障問題，減輕了整個系統(tǒng)的通信負擔，提高了編隊控制的實用性。
3.光滑分布式參考信號觀測器
提出了一種光滑的分布式參考信號觀測器，與現(xiàn)有的分布式參考信號觀測器相比避免了符號函數(shù)的使用，緩解由于觀測器震顫而導(dǎo)致無人機控制不穩(wěn)的問題。
在整個方法體系中，NOKOV度量動作捕捉系統(tǒng)為領(lǐng)導(dǎo)者無人機提供高精度位姿獲取能力，使在線軌跡規(guī)劃能夠基于真實空間坐標實時運行。
三、實驗驗證：基于NOKOV度量動作捕捉系統(tǒng)定位
實驗在室內(nèi)環(huán)境中使用 NOKOV 度量動作捕捉系統(tǒng)對無人機進行定位，領(lǐng)導(dǎo)者無人機的規(guī)劃和控制等行為使用計算機線程進行模擬，跟隨者無人機的分布式觀測器節(jié)點與控制節(jié)點也運行于上位計算機中。
分布式通信網(wǎng)絡(luò)使用 ROS 系統(tǒng)模擬實現(xiàn)，上位計算機與無人機之間通過 Crazyradio 進行通信。
實驗場景設(shè)置如下：
實驗空間尺寸：3 × 3 × 3 m3
環(huán)境特征：布滿障礙物
任務(wù)目標：多個局部目標點 + 全局目標點
編隊形態(tài)：多邊形編隊
實驗的有向拓撲圖
在實驗過程中，NOKOV度量動作捕捉系統(tǒng)持續(xù)采集無人機上的反光標記點位置數(shù)據(jù)，為領(lǐng)導(dǎo)者無人機提供實時定位和環(huán)境障礙感知信息，從而支持在線軌跡規(guī)劃和分布式編隊控制。
障礙環(huán)境中無人機編隊飛行軌跡
四、實驗結(jié)果與性能指標
實驗結(jié)果表明：
無人機群在保持多邊形編隊的同時成功避障
編隊跟蹤誤差收斂至零附近
控制輸入（推力和力矩）保持穩(wěn)定
軌跡規(guī)劃具備良好的平滑性與實時性
分布式控制方法在復(fù)雜障礙環(huán)境中表現(xiàn)出良好的魯棒性
上述結(jié)果驗證了：
在 NOKOV度量動作捕捉定位系統(tǒng)的支持下，多無人機編隊控制與復(fù)雜環(huán)境避障具有良好的可行性。
五、應(yīng)用場景拓展
該方法與實驗體系可擴展應(yīng)用于：
1.多無人機協(xié)同巡檢
2.倉儲與工業(yè)自動化飛行編隊
3.機器人集群協(xié)作導(dǎo)航
4.無人系統(tǒng)路徑規(guī)劃算法驗證
5.智能交通與空中編隊表演
在這些場景中，NOKOV 度量動作捕捉系統(tǒng)可作為標準化定位與評測工具，用于驗證算法精度、控制穩(wěn)定性與系統(tǒng)魯棒性。
六、動作捕捉系統(tǒng)在本研究中的作用總結(jié)
在本研究中，NOKOV 度量動作捕捉系統(tǒng)主要發(fā)揮了三項關(guān)鍵作用：
1.為領(lǐng)導(dǎo)者無人機提供高精度位姿獲取能力
2.支持在線軌跡規(guī)劃與環(huán)境感知
3.提供統(tǒng)一參考坐標系，用于編隊誤差評估與控制驗證
這使得無人機編隊復(fù)雜環(huán)境避障實驗?zāi)軌蛟诳煽亍⒖蓮?fù)現(xiàn)的條件下完成，為分布式編隊控制方法的落地提供了可靠基礎(chǔ)。
七、結(jié)論
北京航空航天大學研究團隊提出的基于在線規(guī)劃的多無人機分布式編隊控制方法，在 NOKOV 度量動作捕捉系統(tǒng)支持下，成功完成了復(fù)雜障礙環(huán)境中的實時避障實驗。
研究表明：
1.分布式編隊控制可顯著降低通信負擔
2.在線軌跡規(guī)劃可提升飛行安全性與平滑性
動作捕捉定位系統(tǒng)是無人機實驗復(fù)雜環(huán)境實驗驗證的重要基礎(chǔ)設(shè)施，該成果為多無人機編隊控制、復(fù)雜環(huán)境避障實驗與機器人集群系統(tǒng)研究提供了可復(fù)現(xiàn)、可擴展的技術(shù)路徑。
八、北航復(fù)雜環(huán)境避障分布式編隊控制方法FAQ
Q1：這項研究主要解決了什么問題？
A：解決了復(fù)雜障礙環(huán)境中多無人機編隊的實時避障與穩(wěn)定控制問題。
Q2：雜環(huán)境避障分布式編隊控制方法實驗中使用了什么定位系統(tǒng)？
A：使用了 NOKOV度量動作捕捉系統(tǒng)，為無人機提供高精度位姿獲取能力。
Q3：該方法屬于集中式還是分布式控制？
A：屬于分布式編隊控制方法，可降低通信負擔并提升系統(tǒng)魯棒性。
Q4：這種方法適合哪些應(yīng)用場景？
A：適合無人機集群、機器人協(xié)作、工業(yè)巡檢、算法驗證等場景。
Q5：北航這套方法為什么需要在線軌跡規(guī)劃？
A：在線軌跡規(guī)劃可根據(jù)無人機實時位置與環(huán)境障礙信息動態(tài)調(diào)整編隊中心軌跡和編隊尺寸，從而提升飛行安全性、軌跡平滑性與復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力。
Q7：北航這項研究如何評估編隊控制效果？
A：研究主要通過編隊跟蹤誤差、控制輸入穩(wěn)定性、軌跡平滑性以及避障成功率等指標，對分布式編隊控制方法的有效性進行評估。
九、參考文獻
該論文發(fā)表于中科院工程技術(shù)類一區(qū)期刊《lEEE Transactions on Industrial Electronics》。
Ze, K., Wang, W., Liu, K., & Lü, J. (2023). Time-Varying Formation Planning and Distributed Control for Multiple UAVs in Clutter Environment. IEEE Transactions on Industrial Electronics.https://doi.org/10.1109/TIE.2023.3335448
