无人机编队飞行面临问题及关键技术研究

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。     

三维编队飞行短时记忆控制

为解决主从机编队飞行问题,以柱面坐标系为参考坐标系,建立长机与僚机之间的相对运动模型。考虑编队飞行系统所受干扰上确界未知,提出无人机编队队形保持的短时记忆控制律。仿真结果表明,控制能够抑制较大干扰,使系统迅速到达期望状态。控制律简单、快速、有效,对编队飞行实现自主飞行有重要意义。     

紫外光通信协作无人机防撞编队的控制方法

为了研究强电磁干扰环境下无人机防撞编队的避障控制效果, 采用无人机编队间紫外光通信模型, 对传统人工势场法进行改进, 给出了具体无人机编队机间和无人机与障碍物的势场函数, 实现无人机编队在飞行的同时可以进行局部避障。结果表明, 在相同条件下, 改进后的人工势场法比传统人工势场法的避障时间减少了7.38%, 避障总路径减少了5.8%, 将改进后的避障算法应用到编队中可实现无人机编队的机间避障与外部障碍物的规避, 且编队间能够保持固定队形飞行至目标点。这一结果对强电磁干扰环境下无人机编队避障的研究有一定的应用价值。     

基于DSP的无人机编队视频跟踪技术

无人机编队飞行可协同完成任务,比单机执行任务效率更高。队形控制是实现编队飞行的关键技术之一。视觉跟踪技术能从视频序列中获得感兴趣目标的状态参数,故在编队中可以利用视觉信息进行目标检测与跟踪来确定邻机方位及距离信息,从而实现队形控制。首先利用视觉传感器获取无人机的运动图像,然后基于DSP采用KLT算法,计算出无人机在图像上的相对位移,实现无人机的跟踪。实验证明,跟踪结果准确性较高,满足实际应用的精度要求,可用于无人机编队稳定跟踪,为进一步解决无人机相对定位问题提供位移信息。     

无人机编队管理的研究综述

多个无人机(UAV)组成编队执行协同探测、侦察、作战等任务的整体性能相比单个UAV会有很大程度的提高。将UAV编队执行任务的生命周期分为编队形成、编队向任务区域飞行、编队向任务区域飞行过程中动态调整队形、编队进入任务区域执行任务并动态调整队形、编队返回、编队解散6个阶段,并归结为编队集结、编队保持和编队重构3个关键技术问题。对它们的研究现状进行了分析和总结,并对未来的发展方向和研究挑战进行了展望。     

无人机编队中的自主定位与动态TDMA协议应用

针对高速无人机编队,提出了一种无人机个体实现分布式自主定位的方法,为无人机编队的自主飞行控制提供位置参数。将改进后的固定TDMA协议应用于无人机编队的自主飞行控制中,增加了优先级以及竞争机制,实现了时隙的动态分配,为大业务量节点提供了负载均衡。仿真结果表明,动态TDMA协议能够显著提高分组发送的成功率、降低业务的端到端平均时延、满足无人机自主编队控制的需求。     

航天编队飞行星座的星间通信

航天编队飞行星座的星间通信是航天编队飞行星座系统的重要组成部分。主要介绍航天编队飞行系统及其星间通信的概念、特点、组成和关键技术,并提出了发展我国航天编队飞行星间通信的建议。     

无人机紧密编队协同控制设计与仿真

研究了紧密编队无人机所受气动耦合的影响以及三维环境下的编队控制方法,分析了在气动耦合影响下编队的动力学特性和运动学特性,建立了紧密编队控制的数学模型。根据编队飞行实体试验的工程控制方法,采用经典PID控制设计了紧密编队控制系统。仿真实验表明,设计的控制系统能够较好地实现无人机紧密编队队形形成与保持,并且具有编队形成速度快、编队误差小的优点。     

多无人机编队半实物仿真系统开发与应用

针对多无人机编队飞行试验的需求,文中开发一种半实物仿真系统,用以开展多机编队飞行的半实物仿真试验,并对编队功能和性能进行试验验证。根据无人机系统的组成和硬件配置,设计并构建半实物仿真系统的架构。针对机载传感器的接口类型完成仿真系统的硬件选型,并设计仿真电缆。基于被试无人机的气动参数和发动机参数,建立无人机的Simulink六自由度实时仿真模型,并开发部署相应的仿真环境和仿真软件。基于该仿真系统,进行8架无人机编队飞行的半实物仿真试验。试验结果表明,参试的8架无人机能够实现编队飞行的功能,并根据给定的不同队形的指令进行队形变换和保持。所设计系统不仅能在飞行试验前进行编队仿真验证和测试,还能对地面操作手进行飞行试验前的模拟训练。     

有人/无人机混合编队协同任务分配方法

任务分配方法是任务控制过程的重要组成部分,是协同作战指挥决策的关键。本文在多无人机协同任务分配的基础上,分析了有人/无人机编队协同作战的突出特点,着重研究飞行员工作状态对参与任务分配的各无人机作战效能的影响,建立了基于飞行时间和工作负载的飞行员工作状态评价模型,并对传统无人机作战效能函数的数学模型进行改进,提出了有人机飞行员工作状态影响下的无人机效能评估模型。针对有人/无人机混合编队协同作战想定,进行了仿真计算。仿真结果表明：飞行员工作状态会对无人机的任务效能和编队的任务分配结果产生显著影响, 同时说明在有人/无人机混合编队的效能评估和任务分配过程中,飞行员的工作状态影响是不可忽略的因素。     

模糊自适应滤波方法在相对导航系统中的应用

编队飞行中需要确定主机和从机之间的相对位置关系,就是要解决导航定位问题。针对无人机在编队飞行过程中由于机动性较大,惯性元器件测量容易出现偏差,进而影响系统的运动状态方程的情况,或者是在系统噪声与观测噪声的统计特性不能够准确得到的情况,提出了一种新的模糊自适应滤波方法。根据实时得到的量测新息的实际方差与理论方差的差值和量测新息的均值,按照判定条件选择适合的滤波方法,然后由设计的模糊推理系统在线实时调整系统噪声和量测噪声矩阵,或是调整状态误差协方差阵即强跟踪滤波,使无人机编队飞行即使在恶劣的环境下依然保持确定的队形不变。仿真结果表明,该算法具有较好的自适应效果。     

基于预测控制方法的UAV视觉编队飞行控制律设计

传统的无人飞行器(UAV)视觉编队控制律考虑约束的能力不足,制约了其工程实际应用。针对不足,基于预测控制方法设计了一种能够显式考虑约束的视觉编队控制律,该控制律通过滚动求解有限时域优化问题得到跟随飞行器(follower)的控制输入。利用相对距离变化率和视线方位角变化率预测值与实测值的偏差信息,提出了领航飞行器(leader)加速度的在线估计算法。仿真结果表明,所设计的编队控制律能够控制follower飞行器快速跟随leader飞行器形成期望的编队,所提出的leader飞行器加速度估计方法可行,具有较小的估计误差。     

基于Creator/Vega Prime的无人机着舰仿真验证系统设计

针对无人机着舰关键技术仿真验证的迫切需求,设计并实现了基于Creator/Vega Prime的无人机着舰仿真验证系统。首先分析了系统应当具备的功能和结构组成,以此进行了实现方案流程设计。然后讨论了如何利用Creator/Vega Prime技术设计三维着舰场景,进而重点研究了飞行数字仿真和图像导航两项关键技术的仿真验证方法。最终基于智能可控飞行器的硬件平台实现了所提出的着舰仿真验证系统。实践证明,该系统具备多样化任务模拟、操纵手训练和关键技术验证三项功能。     

基于飞行安全的无人机控制技术发展趋势研究

从无人机飞行安全的角度出发,研究分析了目前国内外无人机控制技术的发展现状,提出了基于飞行安全的无人机控制技术的发展需求,采用自主控制和人工决策相结合的控制技术,提高无人机飞行操纵过程中的自主控制能力,降低人为操纵的干预程度,从而有效提高无人机系统的安全性。     

基于模型匹配的光电侦察无人机飞行控制器设计方法

无人机在光电侦察领域的应用越来越广泛,设计可靠的飞行控制器是完成侦察任务的必要手段。提出了一种基于模型匹配和遗传算法寻优的以非线性模型为被控对象的飞行控制器设计方法。通过该方法可以实现无人机飞行控制器与飞行仿真模型的一体化快速设计与仿真,与经典的飞行控制器设计方法相比,该方法能够比较快速、便捷地获得所需控制器。建立了包含气动、发动机和环境模型的某型无人机六自由度非线性全量数学模型,然后基于此模型,应用上述方法设计了无人机的飞行控制器,基于有限状态机理论建立了飞行管理模型,设计无人机飞行剖面并实现控制器切换,最后进行了六自由度非线性仿真,验证了所设计控制器的有效性。     

基于数字地图的高速无人机低空航线控制系统设计

为解决高速无人机低空突防高度控制精度问题、搭载高精度传感器使用成本问题及地形位置信息存储、运算问题,文章设计了一种基于数字地图的高速无人机低空航线控制系统,通过对预设航线飞行区域的数字地图高度信息拾取、处理并规划调整航线,通过引入GPS垂速并结合无人机自身飞行性能调整飞行控制参数解决高度跟随控制精度问题,在提高精度的同时完成对成本的控制,具有较强的工程使用价值。     

编队飞行GPS／INS相对导航的分布滤波算法

在对编队飞行GPS/INS相对导航当前的主要滤波算法进行总结和分析的基础上,提出了分布滤波的算法,并建立了GPS/INS相对导航仿真系统,对该算法进行验证。仿真结果表明该算法能够适应大型、紧密编队飞行的需求,在减小计算量、降低通讯数据量、允许编队做大的机动飞行的同时,能得到较高的估计精度。