引言
在多無(wú)人機(jī)編隊(duì)控制領(lǐng)域，如何在復(fù)雜障礙環(huán)境中實(shí)現(xiàn)安全、平滑、實(shí)時(shí)的飛行軌跡規(guī)劃，一直是無(wú)人機(jī)自主控制研究的關(guān)鍵難題。北京航空航天大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于分布式編隊(duì)控制方法與在線軌跡規(guī)劃的新型多無(wú)人機(jī)編隊(duì)控制策略，并在室內(nèi)環(huán)境中結(jié)合 NOKOV 度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng)完成了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
一、研究背景
傳統(tǒng)的多無(wú)人機(jī)編隊(duì)控制方法大多采用集中式架構(gòu)，由領(lǐng)導(dǎo)者無(wú)人機(jī)獲取全局信息之后將參考信號(hào)發(fā)送給每一臺(tái)無(wú)人機(jī)，對(duì)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(duì)控制成為近些年的研究熱點(diǎn)。
目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于復(fù)雜障礙環(huán)境中的多無(wú)人機(jī)編隊(duì)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(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出一種基于在線規(guī)劃的無(wú)人機(jī)編隊(duì)控制方法，并在實(shí)驗(yàn)中引入 NOKOV 度量動(dòng)作捕捉定位系統(tǒng)，用于獲取無(wú)人機(jī)高精度位姿數(shù)據(jù)。
二、研究方法概述：分布式編隊(duì)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(duì)中心軌跡與編隊(duì)尺寸在線規(guī)劃算法
提出一種全新的編隊(duì)中心軌跡和編隊(duì)尺寸在線規(guī)劃算法，能夠在提升軌跡光滑程度的同時(shí)提升編隊(duì)控制的安全性。
2.基于非線性動(dòng)力學(xué)模型的分布式編隊(duì)控制方法
基于完整的無(wú)人機(jī)非線性動(dòng)力學(xué)模型，提供了一分布式編隊(duì)控制方法，解決了復(fù)雜障礙環(huán)境中多無(wú)人機(jī)編隊(duì)的實(shí)時(shí)避障問(wèn)題，減輕了整個(gè)系統(tǒng)的通信負(fù)擔(dān)，提高了編隊(duì)控制的實(shí)用性。
3.光滑分布式參考信號(hào)觀測(cè)器
提出了一種光滑的分布式參考信號(hào)觀測(cè)器，與現(xiàn)有的分布式參考信號(hào)觀測(cè)器相比避免了符號(hào)函數(shù)的使用，緩解由于觀測(cè)器震顫而導(dǎo)致無(wú)人機(jī)控制不穩(wěn)的問(wèn)題。
在整個(gè)方法體系中，NOKOV度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng)為領(lǐng)導(dǎo)者無(wú)人機(jī)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(shí)空間坐標(biāo)實(shí)時(shí)運(yùn)行。
三、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：基于NOKOV度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng)定位
實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)環(huán)境中使用 NOKOV 度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行定位，領(lǐng)導(dǎo)者無(wú)人機(jī)的規(guī)劃和控制等行為使用計(jì)算機(jī)線程進(jìn)行模擬，跟隨者無(wú)人機(jī)的分布式觀測(cè)器節(jié)點(diǎn)與控制節(jié)點(diǎn)也運(yùn)行于上位計(jì)算機(jī)中。
分布式通信網(wǎng)絡(luò)使用 ROS 系統(tǒng)模擬實(shí)現(xiàn)，上位計(jì)算機(jī)與無(wú)人機(jī)之間通過(guò) Crazyradio 進(jìn)行通信。
實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)置如下：
實(shí)驗(yàn)空間尺寸：3 × 3 × 3 m3
環(huán)境特征：布滿障礙物
任務(wù)目標(biāo)：多個(gè)局部目標(biāo)點(diǎn) + 全局目標(biāo)點(diǎn)
編隊(duì)形態(tài)：多邊形編隊(duì)
實(shí)驗(yàn)的有向拓?fù)鋱D
在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，NOKOV度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng)持續(xù)采集無(wú)人機(jī)上的反光標(biāo)記點(diǎn)位置數(shù)據(jù)，為領(lǐng)導(dǎo)者無(wú)人機(jī)提供實(shí)時(shí)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(duì)控制。
障礙環(huán)境中無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行軌跡
四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與性能指標(biāo)
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：
無(wú)人機(jī)群在保持多邊形編隊(duì)的同時(shí)成功避障
編隊(duì)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(shí)時(shí)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(yàn)證了：
在 NOKOV度量動(dòng)作捕捉定位系統(tǒng)的支持下，多無(wú)人機(jī)編隊(duì)控制與復(fù)雜環(huán)境避障具有良好的可行性。
五、應(yīng)用場(chǎng)景拓展
該方法與實(shí)驗(yàn)體系可擴(kuò)展應(yīng)用于：
1.多無(wú)人機(jī)協(xié)同巡檢
2.倉(cāng)儲(chǔ)與工業(yè)自動(dòng)化飛行編隊(duì)
3.機(jī)器人集群協(xié)作導(dǎo)航
4.無(wú)人系統(tǒng)路徑規(guī)劃算法驗(yàn)證
5.智能交通與空中編隊(duì)表演
在這些場(chǎng)景中，NOKOV 度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng)可作為標(biāo)準(zhǔn)化定位與評(píng)測(cè)工具，用于驗(yàn)證算法精度、控制穩(wěn)定性與系統(tǒng)魯棒性。
六、動(dòng)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(dòng)作捕捉系統(tǒng)主要發(fā)揮了三項(xiàng)關(guān)鍵作用：
1.為領(lǐng)導(dǎo)者無(wú)人機(jī)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(biāo)系，用于編隊(duì)誤差評(píng)估與控制驗(yàn)證
這使得無(wú)人機(jī)編隊(duì)復(fù)雜環(huán)境避障實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟诳煽亍⒖蓮?fù)現(xiàn)的條件下完成，為分布式編隊(duì)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(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出的基于在線規(guī)劃的多無(wú)人機(jī)分布式編隊(duì)控制方法，在 NOKOV 度量動(dòng)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(shí)時(shí)避障實(shí)驗(yàn)。
研究表明：
1.分布式編隊(duì)控制可顯著降低通信負(fù)擔(dān)
2.在線軌跡規(guī)劃可提升飛行安全性與平滑性
動(dòng)作捕捉定位系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)實(shí)驗(yàn)復(fù)雜環(huán)境實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的重要基礎(chǔ)設(shè)施，該成果為多無(wú)人機(jī)編隊(duì)控制、復(fù)雜環(huán)境避障實(shí)驗(yàn)與機(jī)器人集群系統(tǒng)研究提供了可復(fù)現(xiàn)、可擴(kuò)展的技術(shù)路徑。
八、北航復(fù)雜環(huán)境避障分布式編隊(duì)控制方法FAQ
Q1：這項(xiàng)研究主要解決了什么問(wèn)題？
A：解決了復(fù)雜障礙環(huán)境中多無(wú)人機(jī)編隊(duì)的實(shí)時(shí)避障與穩(wěn)定控制問(wèn)題。
Q2：雜環(huán)境避障分布式編隊(duì)控制方法實(shí)驗(yàn)中使用了什么定位系統(tǒng)？
A：使用了 NOKOV度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，為無(wú)人機(jī)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(duì)控制方法，可降低通信負(fù)擔(dān)并提升系統(tǒng)魯棒性。
Q4：這種方法適合哪些應(yīng)用場(chǎng)景？
A：適合無(wú)人機(jī)集群、機(jī)器人協(xié)作、工業(yè)巡檢、算法驗(yàn)證等場(chǎng)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(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)位置與環(huán)境障礙信息動(dòng)態(tài)調(diào)整編隊(duì)中心軌跡和編隊(duì)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(xiàng)研究如何評(píng)估編隊(duì)控制效果？
A：研究主要通過(guò)編隊(duì)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(biāo)，對(duì)分布式編隊(duì)控制方法的有效性進(jìn)行評(píng)估。
九、參考文獻(xiàn)
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
