无人机编队飞行面临问题及关键技术研究

潘华+毛海涛

摘 要： 随着无人机任务的复杂性增加，无人机编队飞行成为无人机发展的新方向。为了研究无人机由于编队带来的新问题，分析在单架无人机执行任务时所遇到的问题及无人机编队飞行的必要性，并在分析无人机编队飞行的特点基础上，阐述编队飞行过程中所需解决的问题。通过查阅近几年国内外对于无人机编队的问题研究，总结整理出无人机编队主要面临的队形保持中控制器设计、防撞避障及航迹规划中路径优化等问题。针对各个问题，对编队飞行过程中的关键技术进行探讨和分析。

关键词： 无人机； 编队飞行； 控制器设计； 关键技术

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）16?0077?03

Study on problems facing with UAV formation flight and its key technology

PAN Hua， MAO Hai?tao

（Unit 92728 of PLA， Shanghai， 200436， China）

Abstract：With the increase of the mission complexity of UAV， UAV formation flight has become the new trend of UAV development. To study the new problems brought about by UAV formation flight， the problems encountered in mission of single UAV and the necessity of UAV formation flight are analyzed. The problems needing to solve in process of formation flight are expounded based on the analysis of UAV formation flight features. By consulting the research achievements of UAV formation flight at home and aboard in recent years， the main problems， such as controller design for formation keeping， collision avoidance and path optimization in route planning that UAV formation flight encounters are summarized. The key technology in process of UAV formation flight is discussed and analyzed.

Keywords： UAV； formation flight； controller design； key technology

0 引 言

近些年来，无人机由于本身具有尺寸小、重量轻、适应性强、隐蔽性高及危险性系数低等点被广泛应用于军事和民事领域。在军事领域，无人机作为靶机、侦察机和战斗机等，可以执行侦查监视、骗敌诱饵、实施干扰、对地攻击、校射及通信中继等。在民事领域，无人机可以用于监测环境、监测气象、勘探资源、森林防火及人工降雨等。

随着科技的发展，无人机完成任务的复杂度日益增加，而单架无人机执行任务的缺陷也日益突出。主要有：

（1） 侦查范围有限，不能执行大面积侦查行动；

（2） 出现故障时必须中断维修，在战争中很可能失去有利机会；

（3） 作为战斗机时，破坏能力有限，执行任务的成功率受到影响。

而对无人机进行编队飞行，能够很好地解决以上的问题。

1 无人机编队飞行及其特点

无人机编队飞行，即多架无人机为适应任务要求而进行的某种队形排列和任务分配的组织模式[1]，即无人机在执行任务时，为了满足任务需要，将多架无人机按照一定的方式排列，并在执行任务过程中保持队形不变。

无人机编队飞行可以很好地解决单架无人机面临的困难，主要有[2]：

（1） 在实行侦查任务时，可以对侦查区域进行划分，并分配给编队中不同的无人机，从而避免目标的遗漏并提高执行任务效率。

（2） 在执行对地观测任务时，可以调整编队中的多个无人机上相机角度，实现全面立体照相。

（3） 相对于单架无人机而言，整体编队的执行任务得到效率提高。比如在执行某项复杂任务时，可以在原有需求基础上增加备用无人机；在部分无人机出现故障的情况下，也能按照要求实时高效地完成任务。

（4） 无人机作为战斗机执行任务时，其摧毁敌方能力增强，可以采用多架无人机对同一目标进行攻击，提高命中率和杀伤力等。多架无人机对多个目标进行攻击，提高执行能力。

2 无人机编队飞行面临的问题

无人机在编队飞行执行任务时，不仅需要解决单无人机飞行过程中必须的通信、数据融合、飞行控制等技术，还需要解决队形保持、防撞避障、航迹规划等问题[3]。

2.1 队形保持问题

队形保持即在无人机编队飞行过程中，各个无人机之间需要保持相对的几何位置不变。根据队形保持的严格程度，可以分为群集编队和严格编队。群集编队是指无人机编队飞行时的拓扑结构并不严格要求遵循一种结构，而是整体按照某一拓扑结构进行移动，保证编队正常飞行，此种编队比较适用于对编队飞行拓扑结构没有严格要求的任务。而严格编队则是指无人机在编队飞行过程中各个无人机之间必须保持严格的几何结构，适用于对相对位置要求较高的任务，比如需要完成精确定位的任务。

要完成编队队形保持，需要为无人机设计队形保持控制器。而通过对无人机的模型进行分析，编队中相邻无人机之间的数学模型存在耦合，如果采用传统的控制器设计方法，在设计过程中运算量太大，而且随着无人机数量的增多，运算量增大迅速，无人机编队的整体规模受到限制。因此需要设计合理控制器解决以上问题。

在执行某些任务时，不仅要求无人机编队能够保持队形不变，可能还需要在飞行过程中根据任务要求实时改变编队的拓扑结构，此时所设计的控制器不仅需要能够保证队形不变，还必须能够实现队形变换。

在编队飞行过程中涡旋也是影响队形保持的重要因素。队形中长机的尾部和翼尖产生气流对后面僚机的飞行造成影响，导致僚机不能按照已定的方向飞行，使得队形出现偏差，因此需要设计相应的控制律来解决涡旋造成的影响[4]。

2.2 防撞避障问题

防撞是指在编队中各个无人机之间避免相互碰撞；避障则是指在无人机编队飞行时遇到障碍能够避开的能力。防撞避障中最根本需要解决的是探测问题。在防撞过程中，编队中的无人机需要能够获得其他无人机的位置信息或者将自己的位置信息发送给其他无人机；而在避障过程中无人机需要能够躲避各种可能的障碍物，障碍物有可能是预知的，也有可能是未知的。对于预知的障碍，可以在进行航迹规划时避开；而对于未知障碍，无人机需要具备实时处理障碍的能力。对于未知障碍的规避，必然导致无人机编队偏离预定航迹，如何在尽量减少原路径偏离量的情况下规避障碍是防撞避障所面临的一个优化问题。

2.3 航迹规划问题

在无人机编队飞行时，不仅需要对其进行离线航迹规划，避开已知障碍，还需要在飞行过程中实时更新航迹，保证无人机能够避开新出现的障碍。而对航迹的进一步优化是航迹规划问题的一个突破点。

3 无人机编队飞行关键技术

3.1 编队控制

为了解决编队飞行时队形保持面临的问题，需要进行编队控制。为了解决编队中相邻无人机之间的耦合，可以对传统控制器进行改进。即对无人机编队进行重新建模分成解耦部分和关联部分，对解耦部分直接采用传统控制器；而对关联部分则采用改进的分布式控制器，通过结合两个控制器来实现对编队的控制，实现有效编队保持[5]。

为了能够实现编队变换，可将需要的拓扑结构的几何关系转换成无人机编队的相对运动方程，再结合无人机本身的模型建立关于无人机编队的线性化方程，最后设计相应的控制律实现编队变换[6]。

对于长机产生的涡旋，需要考虑无人机各方向受到的力及力矩，包括横测向以及纵向受到的上洗速度和侧洗速度等[7]。利用涡旋调整技术，通过对长机机翼进行调整，使得长机翼尖上的涡旋对僚机产生有利作用，从而保证编队队形不变。

3.2 防撞避障

无人机编队飞行过程中，需要进行防撞避障。由于在无人机进行编队控制时，各个无人机之间的距离是确定的，在控制律稳健的情况下，无人机之间不会发生碰撞，即防撞问题解决。而避障，也已经有很多较为成熟的方法，主要有：

（1） 通过航迹规划的方法获得编队多条备选路径，然后根据实际需要建立代价函数，并以障碍位置作为约束条件，最终获得可以避障的路径；

（2） 构造一个势场函数，当无人机越靠近障碍物时，势场函数越大；反之，势场函数越小。因此通过最小化势场函数来规避障碍物，获得最佳路径。另外还有利用回转力的方法、改进模型预测控制等方法实现防撞避障[8?10]。

3.3 航迹规划

无人机编队的路径规划中在把编队作为一个整体的条件下，可以看作单无人机航迹规划进行处理。而单无人机航迹规划主要分为两大方向：最优式算法和启发式算法。其中启发式算法由于其计算方便而被广泛应用，主要方法有：

（1） A*算法。将无人机所要到达目标视为一个点，通过设置一个估计函数来搜索区域中从当前位置到目标位置的权值，从而决定下一步搜索方向，最终得到无人机的路径。

（2） 遗传算法。在搜索之前对无人机的当前位置及其航迹进行编码，随机产生N个初始结构数据，代表所有可能的航迹；选取合适的适应度函数，通过选择、交叉、变异得到下一代群体，通过不断进化，最终得到最大适应度值的个体即为最优路径。

另外还有粒子群优化算法、蚁群算法及Voronoi图算法等。

4 结 语

由于无人机编队有着单无人机无法比拟的优势，使其必然成为未来无人机发展的新方向，能够在更多的领域中使用。而要完成更多难度更大的任务，无人机编队飞行必须提高整体能力。但目前无人机编队还存在许多问题，要将其理论应用到实际当中去，还需要做进一步的研究和实践。

参考文献

[1] 李文皓，张珩.无人机编队飞行技术的研究现状与展望[J].飞行力学，2007，25（1）：9?10.

[2] 何真，陆宇平.无人机编队队形保持控制器的分散设计方法[J].航空学报，2008（z1）：56?58.

[3] 朱杰斌， 秦世引.无人机编队飞行的分布式控制策略与控制器设计[J].智能系统学报，2010（5）：392?393.

[4] 刘建平.障碍空间中的无人机编队控制研究[D].长春：吉林大学，2010.

[5] SAUNDERS J B， CALL B， CURTIS A， et al. Static and dynamic obstacle avoidance in miniature air vehicles， AIAA 2005–6950 [R]. Arlington， VA： Infotech@Aerospace， 2005.

[6] GAGNON E， RABBATH C A， LAUZON M. Receding horizons with headingconstraints for collision avoidance [C]// AIAA Guidance Navigation and Control Conference. [S.l.]： AIAA， 2005： 1?13.

[7] WANG X， YADAV V， BALAKRISHNAN S N. Cooperative UAV formation flyingwith obstacle/collision avoidance [J]. IEEE Transactions on Control SystemsTechnology， 2007， 15（4）： 672?679.

[8] 朱占霞，袁建平.无人机编队飞行问题初探[J].飞行力学，2003，21（2）：5?7.

[9] 邓婉，王新民，王晓燕，等.无人机编队队形保持变换控制器设计[J].计算机仿真，2011，28（10）：73?74.

[10] 刘小雄，章卫国，李广文，等.无人机自主编队飞行控制的技术问题[J].电光与控制，2006，13（6）：29?31.

要完成编队队形保持，需要为无人机设计队形保持控制器。而通过对无人机的模型进行分析，编队中相邻无人机之间的数学模型存在耦合，如果采用传统的控制器设计方法，在设计过程中运算量太大，而且随着无人机数量的增多，运算量增大迅速，无人机编队的整体规模受到限制。因此需要设计合理控制器解决以上问题。

在执行某些任务时，不仅要求无人机编队能够保持队形不变，可能还需要在飞行过程中根据任务要求实时改变编队的拓扑结构，此时所设计的控制器不仅需要能够保证队形不变，还必须能够实现队形变换。

在编队飞行过程中涡旋也是影响队形保持的重要因素。队形中长机的尾部和翼尖产生气流对后面僚机的飞行造成影响，导致僚机不能按照已定的方向飞行，使得队形出现偏差，因此需要设计相应的控制律来解决涡旋造成的影响[4]。

2.2 防撞避障问题

防撞是指在编队中各个无人机之间避免相互碰撞；避障则是指在无人机编队飞行时遇到障碍能够避开的能力。防撞避障中最根本需要解决的是探测问题。在防撞过程中，编队中的无人机需要能够获得其他无人机的位置信息或者将自己的位置信息发送给其他无人机；而在避障过程中无人机需要能够躲避各种可能的障碍物，障碍物有可能是预知的，也有可能是未知的。对于预知的障碍，可以在进行航迹规划时避开；而对于未知障碍，无人机需要具备实时处理障碍的能力。对于未知障碍的规避，必然导致无人机编队偏离预定航迹，如何在尽量减少原路径偏离量的情况下规避障碍是防撞避障所面临的一个优化问题。

2.3 航迹规划问题

在无人机编队飞行时，不仅需要对其进行离线航迹规划，避开已知障碍，还需要在飞行过程中实时更新航迹，保证无人机能够避开新出现的障碍。而对航迹的进一步优化是航迹规划问题的一个突破点。

3 无人机编队飞行关键技术

3.1 编队控制

为了解决编队飞行时队形保持面临的问题，需要进行编队控制。为了解决编队中相邻无人机之间的耦合，可以对传统控制器进行改进。即对无人机编队进行重新建模分成解耦部分和关联部分，对解耦部分直接采用传统控制器；而对关联部分则采用改进的分布式控制器，通过结合两个控制器来实现对编队的控制，实现有效编队保持[5]。

为了能够实现编队变换，可将需要的拓扑结构的几何关系转换成无人机编队的相对运动方程，再结合无人机本身的模型建立关于无人机编队的线性化方程，最后设计相应的控制律实现编队变换[6]。

对于长机产生的涡旋，需要考虑无人机各方向受到的力及力矩，包括横测向以及纵向受到的上洗速度和侧洗速度等[7]。利用涡旋调整技术，通过对长机机翼进行调整，使得长机翼尖上的涡旋对僚机产生有利作用，从而保证编队队形不变。

3.2 防撞避障

无人机编队飞行过程中，需要进行防撞避障。由于在无人机进行编队控制时，各个无人机之间的距离是确定的，在控制律稳健的情况下，无人机之间不会发生碰撞，即防撞问题解决。而避障，也已经有很多较为成熟的方法，主要有：

（1） 通过航迹规划的方法获得编队多条备选路径，然后根据实际需要建立代价函数，并以障碍位置作为约束条件，最终获得可以避障的路径；

（2） 构造一个势场函数，当无人机越靠近障碍物时，势场函数越大；反之，势场函数越小。因此通过最小化势场函数来规避障碍物，获得最佳路径。另外还有利用回转力的方法、改进模型预测控制等方法实现防撞避障[8?10]。

3.3 航迹规划

无人机编队的路径规划中在把编队作为一个整体的条件下，可以看作单无人机航迹规划进行处理。而单无人机航迹规划主要分为两大方向：最优式算法和启发式算法。其中启发式算法由于其计算方便而被广泛应用，主要方法有：

（1） A*算法。将无人机所要到达目标视为一个点，通过设置一个估计函数来搜索区域中从当前位置到目标位置的权值，从而决定下一步搜索方向，最终得到无人机的路径。

（2） 遗传算法。在搜索之前对无人机的当前位置及其航迹进行编码，随机产生N个初始结构数据，代表所有可能的航迹；选取合适的适应度函数，通过选择、交叉、变异得到下一代群体，通过不断进化，最终得到最大适应度值的个体即为最优路径。

另外还有粒子群优化算法、蚁群算法及Voronoi图算法等。

4 结 语

由于无人机编队有着单无人机无法比拟的优势，使其必然成为未来无人机发展的新方向，能够在更多的领域中使用。而要完成更多难度更大的任务，无人机编队飞行必须提高整体能力。但目前无人机编队还存在许多问题，要将其理论应用到实际当中去，还需要做进一步的研究和实践。

参考文献

[1] 李文皓，张珩.无人机编队飞行技术的研究现状与展望[J].飞行力学，2007，25（1）：9?10.

[2] 何真，陆宇平.无人机编队队形保持控制器的分散设计方法[J].航空学报，2008（z1）：56?58.

[3] 朱杰斌， 秦世引.无人机编队飞行的分布式控制策略与控制器设计[J].智能系统学报，2010（5）：392?393.

[4] 刘建平.障碍空间中的无人机编队控制研究[D].长春：吉林大学，2010.

[5] SAUNDERS J B， CALL B， CURTIS A， et al. Static and dynamic obstacle avoidance in miniature air vehicles， AIAA 2005–6950 [R]. Arlington， VA： Infotech@Aerospace， 2005.

[6] GAGNON E， RABBATH C A， LAUZON M. Receding horizons with headingconstraints for collision avoidance [C]// AIAA Guidance Navigation and Control Conference. [S.l.]： AIAA， 2005： 1?13.

[7] WANG X， YADAV V， BALAKRISHNAN S N. Cooperative UAV formation flyingwith obstacle/collision avoidance [J]. IEEE Transactions on Control SystemsTechnology， 2007， 15（4）： 672?679.

[8] 朱占霞，袁建平.无人机编队飞行问题初探[J].飞行力学，2003，21（2）：5?7.

[9] 邓婉，王新民，王晓燕，等.无人机编队队形保持变换控制器设计[J].计算机仿真，2011，28（10）：73?74.

[10] 刘小雄，章卫国，李广文，等.无人机自主编队飞行控制的技术问题[J].电光与控制，2006，13（6）：29?31.

要完成编队队形保持，需要为无人机设计队形保持控制器。而通过对无人机的模型进行分析，编队中相邻无人机之间的数学模型存在耦合，如果采用传统的控制器设计方法，在设计过程中运算量太大，而且随着无人机数量的增多，运算量增大迅速，无人机编队的整体规模受到限制。因此需要设计合理控制器解决以上问题。

在执行某些任务时，不仅要求无人机编队能够保持队形不变，可能还需要在飞行过程中根据任务要求实时改变编队的拓扑结构，此时所设计的控制器不仅需要能够保证队形不变，还必须能够实现队形变换。

在编队飞行过程中涡旋也是影响队形保持的重要因素。队形中长机的尾部和翼尖产生气流对后面僚机的飞行造成影响，导致僚机不能按照已定的方向飞行，使得队形出现偏差，因此需要设计相应的控制律来解决涡旋造成的影响[4]。

2.2 防撞避障问题

防撞是指在编队中各个无人机之间避免相互碰撞；避障则是指在无人机编队飞行时遇到障碍能够避开的能力。防撞避障中最根本需要解决的是探测问题。在防撞过程中，编队中的无人机需要能够获得其他无人机的位置信息或者将自己的位置信息发送给其他无人机；而在避障过程中无人机需要能够躲避各种可能的障碍物，障碍物有可能是预知的，也有可能是未知的。对于预知的障碍，可以在进行航迹规划时避开；而对于未知障碍，无人机需要具备实时处理障碍的能力。对于未知障碍的规避，必然导致无人机编队偏离预定航迹，如何在尽量减少原路径偏离量的情况下规避障碍是防撞避障所面临的一个优化问题。

2.3 航迹规划问题

在无人机编队飞行时，不仅需要对其进行离线航迹规划，避开已知障碍，还需要在飞行过程中实时更新航迹，保证无人机能够避开新出现的障碍。而对航迹的进一步优化是航迹规划问题的一个突破点。

3 无人机编队飞行关键技术

3.1 编队控制

为了解决编队飞行时队形保持面临的问题，需要进行编队控制。为了解决编队中相邻无人机之间的耦合，可以对传统控制器进行改进。即对无人机编队进行重新建模分成解耦部分和关联部分，对解耦部分直接采用传统控制器；而对关联部分则采用改进的分布式控制器，通过结合两个控制器来实现对编队的控制，实现有效编队保持[5]。

为了能够实现编队变换，可将需要的拓扑结构的几何关系转换成无人机编队的相对运动方程，再结合无人机本身的模型建立关于无人机编队的线性化方程，最后设计相应的控制律实现编队变换[6]。

对于长机产生的涡旋，需要考虑无人机各方向受到的力及力矩，包括横测向以及纵向受到的上洗速度和侧洗速度等[7]。利用涡旋调整技术，通过对长机机翼进行调整，使得长机翼尖上的涡旋对僚机产生有利作用，从而保证编队队形不变。

3.2 防撞避障

无人机编队飞行过程中，需要进行防撞避障。由于在无人机进行编队控制时，各个无人机之间的距离是确定的，在控制律稳健的情况下，无人机之间不会发生碰撞，即防撞问题解决。而避障，也已经有很多较为成熟的方法，主要有：

（1） 通过航迹规划的方法获得编队多条备选路径，然后根据实际需要建立代价函数，并以障碍位置作为约束条件，最终获得可以避障的路径；

（2） 构造一个势场函数，当无人机越靠近障碍物时，势场函数越大；反之，势场函数越小。因此通过最小化势场函数来规避障碍物，获得最佳路径。另外还有利用回转力的方法、改进模型预测控制等方法实现防撞避障[8?10]。

3.3 航迹规划

无人机编队的路径规划中在把编队作为一个整体的条件下，可以看作单无人机航迹规划进行处理。而单无人机航迹规划主要分为两大方向：最优式算法和启发式算法。其中启发式算法由于其计算方便而被广泛应用，主要方法有：

（1） A*算法。将无人机所要到达目标视为一个点，通过设置一个估计函数来搜索区域中从当前位置到目标位置的权值，从而决定下一步搜索方向，最终得到无人机的路径。

（2） 遗传算法。在搜索之前对无人机的当前位置及其航迹进行编码，随机产生N个初始结构数据，代表所有可能的航迹；选取合适的适应度函数，通过选择、交叉、变异得到下一代群体，通过不断进化，最终得到最大适应度值的个体即为最优路径。

另外还有粒子群优化算法、蚁群算法及Voronoi图算法等。

4 结 语

由于无人机编队有着单无人机无法比拟的优势，使其必然成为未来无人机发展的新方向，能够在更多的领域中使用。而要完成更多难度更大的任务，无人机编队飞行必须提高整体能力。但目前无人机编队还存在许多问题，要将其理论应用到实际当中去，还需要做进一步的研究和实践。

参考文献

[1] 李文皓，张珩.无人机编队飞行技术的研究现状与展望[J].飞行力学，2007，25（1）：9?10.

[2] 何真，陆宇平.无人机编队队形保持控制器的分散设计方法[J].航空学报，2008（z1）：56?58.

[3] 朱杰斌， 秦世引.无人机编队飞行的分布式控制策略与控制器设计[J].智能系统学报，2010（5）：392?393.

[4] 刘建平.障碍空间中的无人机编队控制研究[D].长春：吉林大学，2010.

[5] SAUNDERS J B， CALL B， CURTIS A， et al. Static and dynamic obstacle avoidance in miniature air vehicles， AIAA 2005–6950 [R]. Arlington， VA： Infotech@Aerospace， 2005.

[6] GAGNON E， RABBATH C A， LAUZON M. Receding horizons with headingconstraints for collision avoidance [C]// AIAA Guidance Navigation and Control Conference. [S.l.]： AIAA， 2005： 1?13.

[7] WANG X， YADAV V， BALAKRISHNAN S N. Cooperative UAV formation flyingwith obstacle/collision avoidance [J]. IEEE Transactions on Control SystemsTechnology， 2007， 15（4）： 672?679.

[8] 朱占霞，袁建平.无人机编队飞行问题初探[J].飞行力学，2003，21（2）：5?7.

[9] 邓婉，王新民，王晓燕，等.无人机编队队形保持变换控制器设计[J].计算机仿真，2011，28（10）：73?74.

[10] 刘小雄，章卫国，李广文，等.无人机自主编队飞行控制的技术问题[J].电光与控制，2006，13（6）：29?31.