无人机编队避障与控制技术研究现状及发展趋势

孟祥瑞

摘要：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。鉴于此，本文主要分析无人机编队避障与控制技术研究现状及发展趋势。

关键词：无人机;编队避障;控制技术

1、引言

随着无人机避障技术研究的深入与进步，如何获取障碍物的深度图像，优化算法，提高无人机编队地协调性、一致性并快速高效地绕过障碍物，是无人机避障亟需解决的问题。本文介绍了无人机避障的基本概念，避障过程与分类，并列举了单无人机和无人机编队地避障方法。重点分析了各种避障方法的原理，优缺点和使用条件。最后，总结分析了现阶段避障方法存在的问题和发展前景。高效、便捷的无人机避障方法能提高无人机的工作效率和任务成功率，具有重要的现实意义和战略意义。

2、无人机避障概述

无人机避障是指无人机在移动过程中，通过传感器感知到在其规划路线上存在静态或动态障碍物时，按照一定的算法实时更新路径，绕过障碍物，最后达到目标点的一种行为。根据目前的无人机避障技术原理可以将无人机避障技术分为三个阶段，分别是感知障碍物阶段、危险区域判断阶段、路径搜索及绕过障碍物阶段。

2.1、无人机避障过程

在障碍物识别阶段首先需要精确的测量无人机与障碍物之间的距离，测量出危险范围内的距离，才能有时间在撞向障碍物前停止动作，从而避免事故和意外的发生。所以障碍物识别的准确性是实现精确避障的基础。

危险区域判断阶段根据获取的障碍物位置信息判断障碍物是否在危险区域内，如果不在危险区域内，保持初始的飞行路径继续飞行;如果在危险区域内，则需要进行转向或改变高度等避障操作。

在路径搜索及绕过障碍物阶段的关键点在于精确地获取障碍物的位置信息、外部轮廓信息以及障碍物的三维图像。然后根据获得的障碍物位置信息，利用机载设备中设置的智能算法来选择最优路径，实现无人机的高效避障。

2.2、无人机避障分类

按避障的对象划分有单无人机避障和无人机编队避障。单无人机避障是指单架无人机在进行任务时完成的避障操作，单无人机模式是一种较为传统的无人机运行模式，单无人机避障相对比较容易，算法也相对简单。

无人机编队执行任务的运行模式是随着无人机任务的加重，单架无人机难以满足任务需求而诞生的，例如执行侦察任务时由于传感器限制，单架无人机可侦察范围有限，无法有效覆盖侦察区域。且一旦无人机出现故障，便意味着任务失败。根据自然界常见的生物群体现象，对无人机进行编队来执行任务能有效地提高任务的成功率。当前无人机的编队方法主要有“长机-僚机”法、行为法、虚拟结构法和人工势能法等。相对于无人机的避障而言，无人机编队避障更复杂，不仅需要避开障碍物，还需要保障无人机群之间的安全距离，能够满足无人机在以高速度和小角度接近障碍物时，有足够的时间来进行避障操作，同时，还需要考虑队形的变换问题。

3、无人机编队避障与控制技术

3.1、速度障碍法

最早Khatib和Erdmann等人开始研究如何使无人机安全导引到目标点并顺利避开动态障碍物，后来，学者们把在静态环境下应用成功的避障方法推广到动态环境中去。通过考虑无人机及障碍物的速度，结合到势能函数的构造中，得到适用于动态环境的势场法。中通过动态窗口方法进行路径规划及避障，这些方法在静态环境下得到较好的结果，但在无人机高速运动情况下，避障效果并不理想。主要原因是在动态环境下，碰撞判断及避障情况下对速度的控制与静态环境相比存在较大区别。为解决动态环境下的碰撞判断问题，提出了基于运动学方程的碰撞判断方法，定义了碰撞锥的概念，根据视线的距离及角速度来确定碰撞条件，基于视线角速度方程，对直接碰撞和间接碰撞进行了比较，通过对某一时刻，在考虑无人机及障碍物相对位置情况下，对可能的碰撞速度进行时间积分，得到非线性速度障碍集进行避障。基于无人机与障碍物之间的几何关系，在极坐标系下建立了无人机与障碍物之间的运动学方程，通过引入基于角度线性化的比例导引律，使无人机能够顺利避开障碍物。在极坐标系下建立无人机与障碍物之间的几何关系并且建立无人机与障碍物之间的运动学方程，通过设计滑模变结构有限时间收敛制导律，使无人机与避障点的视线角速率收敛到零，相对速度方向收敛到期望的避障方向，使无人机能够顺利避开运动障碍物。

3.2、Dubins路径法

Dubins路径定义为：在最大曲率限制下，平面内两个有方向的点间的最短可行路径是CLC路径或CCC路径，或是其子集，其中，C表示圆弧段，L表示与C相切的直线段。提出一种基于路径的无人机的避障规划算法，采用遗传算法，结合无人机的飞行性能和最小转弯半径得到一种在已知障碍空间位置前提下的无人机路径规划方法，通过算法改进，将其推广成为在未知障碍物位置等先验知识的前提下的无人机实时避障算法。

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，直到無人机碰撞。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。

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。

5、结束语

通过对无人机以及编队方法的讨论，更加加深了对该领域的理解，也对该领域的发展以及问题有了一个更全面的认识。相信在科技不断发展的今天，无人机控制以及应用会不断的进步，从而更好地服务人们生活。

参考文献

[1]刘云平，徐泽，赵中原，苗国英，邓志良，李炳志.应对快速移动障碍物的多无人机编队避障控制[J].兵器装备工程学报，2021，42（03）：142-148+156.

[2]方洋旺，欧阳楚月，符文星，程昊宇.无人机编队避障与控制技术研究现状及发展趋势[J].无人系统技术，2019，2（02）：32-38.