超燃！千架無人機(jī)編隊(duì)飛行，重現(xiàn)中國奧運(yùn)健兒奪冠瞬間
[導(dǎo)讀]大家好，我是張巧龍，在網(wǎng)上看到一個(gè)視頻，8月8日東京奧運(yùn)會(huì)閉幕式同期，泰達(dá)上空1000架無人機(jī)獻(xiàn)上了編隊(duì)飛行的表演。#現(xiàn)場視頻無人機(jī)、機(jī)器人編隊(duì)或者是集群控制，說到底，雖然都是多智能體的控制，唯一有區(qū)別的在于空間或者平面，但隨之帶來的問題卻衍生出不同的方向。在此稍微敘述下關(guān)于無人...
大家好，我是張巧龍，在網(wǎng)上看到一個(gè)視頻，8月8日東京奧運(yùn)會(huì)閉幕式同期，泰達(dá)上空1000架無人機(jī)獻(xiàn)上了編隊(duì)飛行的表演。
#現(xiàn)場視頻
無人機(jī)、機(jī)器人編隊(duì)或者是集群控制，說到底，雖然都是多智能體的控制，唯一有區(qū)別的在于空間或者平面，但隨之帶來的問題卻衍生出不同的方向。
在此稍微敘述下關(guān)于無人機(jī)的群體編隊(duì)方面的。
最早的研究是在60年代末，美國賓夕法尼亞大學(xué)，有一篇博士論文開始研究了關(guān)于直升機(jī)編隊(duì)飛行問題。
#四個(gè)編隊(duì)飛行問題
關(guān)于編隊(duì)飛行研究的問題無外乎以下4個(gè)：
編隊(duì)隊(duì)形的生成：如何將多個(gè)無人機(jī)進(jìn)行聯(lián)系起來，完成編隊(duì)隊(duì)形的生成。
編隊(duì)隊(duì)形的保持：當(dāng)無人機(jī)編隊(duì)隊(duì)形形成之后，如何保持且按照系統(tǒng)設(shè)定的編隊(duì)隊(duì)形進(jìn)行飛行。
編隊(duì)隊(duì)形的變換：如果需要變換無人機(jī)編隊(duì)飛行的隊(duì)形，如何變換無人機(jī)編隊(duì)的隊(duì)形，即換成隊(duì)形。
編隊(duì)隊(duì)形的避障：系統(tǒng)編隊(duì)飛行時(shí)，遇到障礙物時(shí)，如何運(yùn)動(dòng)飛行從而避開障礙物；
#通信方法
在研究無人機(jī)編隊(duì)飛行算法前，需要去了解各個(gè)無人機(jī)之間的通信方法，通信方式可以將機(jī)群的控制方法分為以下幾種：
集中式控制方法：編隊(duì)系統(tǒng)中的個(gè)體都會(huì)互相通信，互相傳遞速度、坐標(biāo)位置、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等信息。采用此種控制方法的系統(tǒng)飛行效果較好，因?yàn)榫庩?duì)系統(tǒng)中的每個(gè)無人機(jī)都知道編隊(duì)系統(tǒng)中所有的信息，能做出更加科學(xué)的飛行決策和路線。
但此方式所帶來的缺點(diǎn)較為明顯，無人機(jī)個(gè)體之間都需要進(jìn)行多個(gè)通信，需要互相傳遞較為多的數(shù)據(jù)信息，對(duì)無人機(jī)個(gè)體的計(jì)算速度以及內(nèi)存都要求比較高。數(shù)據(jù)量較大還會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)產(chǎn)生丟失關(guān)鍵信息的問題。
分布式控制方法：就不存在上述信息量較大導(dǎo)致丟失的情況，無人機(jī)編隊(duì)系統(tǒng)中的個(gè)體只需要和領(lǐng)域的無人機(jī)進(jìn)行通信，通信數(shù)據(jù)包以及通信鏈路都比較少。與集中式控制方法相對(duì)，采用此種控制方法的編隊(duì)系統(tǒng)飛行效果會(huì)差一些。
正因?yàn)橹粺o人機(jī)個(gè)體只需要和領(lǐng)域無人機(jī)通信，反而更好在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)該控制方法。除此之外，該控制方法不牽扯到無人機(jī)編隊(duì)系統(tǒng)其它無人機(jī)個(gè)體，可以極為方便的對(duì)無人機(jī)編隊(duì)系統(tǒng)中的無人機(jī)個(gè)體進(jìn)行刪減或增加。
比如，當(dāng)編隊(duì)無人機(jī)系統(tǒng)中的某個(gè)個(gè)體出現(xiàn)故障導(dǎo)致編隊(duì)系統(tǒng)中的個(gè)體缺失時(shí)，對(duì)系統(tǒng)整體的影響較小，并可以實(shí)時(shí)的補(bǔ)充上其他無人機(jī)個(gè)體，讓編隊(duì)系統(tǒng)快速恢復(fù)正常的工作狀態(tài)。
分散式控制方法：編隊(duì)系統(tǒng)中的個(gè)體無人機(jī)之間不會(huì)進(jìn)行通信，在編隊(duì)系統(tǒng)中，會(huì)約定好飛行固定點(diǎn)，系統(tǒng)中的無人機(jī)個(gè)體正常保持與固定點(diǎn)的相對(duì)關(guān)系就可以了。
由此可見，采用此種控制方法的編隊(duì)系統(tǒng)計(jì)算量更小，但其帶來的編隊(duì)飛行效果是極差的，由于編隊(duì)系統(tǒng)中的無人機(jī)個(gè)體不相互通信，可能會(huì)帶來無人機(jī)之間的碰撞從而發(fā)生嚴(yán)重事故。
#編隊(duì)控制方法
了解通信方式之后，下面可以介紹關(guān)于無人機(jī)編隊(duì)控制的一些控制方法：
1）跟隨領(lǐng)航的控制方法。首先設(shè)定無人機(jī)編隊(duì)系統(tǒng)中的一架作為領(lǐng)航無人機(jī)，其他個(gè)體為跟隨無人機(jī)，在編隊(duì)飛行時(shí)，跟隨無人機(jī)實(shí)時(shí)跟隨領(lǐng)航無人機(jī)進(jìn)行飛行。
在此種控制算法中，由于有領(lǐng)航無人機(jī)和跟隨無人機(jī)的這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)模式，我們可以將無人機(jī)編隊(duì)系統(tǒng)的隊(duì)形控制問題轉(zhuǎn)換成跟隨無人機(jī)跟隨領(lǐng)航者的位置運(yùn)動(dòng)情況。
這種控制方法被許多學(xué)者研究并實(shí)現(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)在于復(fù)雜的多個(gè)個(gè)體之間的問題可以轉(zhuǎn)換成單個(gè)個(gè)體的運(yùn)動(dòng)情況研究。
降低了個(gè)體研究的數(shù)量。但缺點(diǎn)也很明顯，整個(gè)無人機(jī)編隊(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性都由領(lǐng)航者決定，依賴性較強(qiáng)，一旦領(lǐng)航者出現(xiàn)問題，整個(gè)系統(tǒng)將出現(xiàn)崩潰，除此之外，編隊(duì)系統(tǒng)也容易受外界干擾的影響。
2）虛擬結(jié)構(gòu)法。虛擬結(jié)構(gòu)法的主要思想是將無人機(jī)編隊(duì)系統(tǒng)的隊(duì)形組成看作是剛性的虛擬結(jié)構(gòu)，在無人機(jī)編隊(duì)飛行運(yùn)動(dòng)期間，單個(gè)無人機(jī)個(gè)體可以看做是固定在虛擬結(jié)構(gòu)上的固定位置上，一旦無人機(jī)編隊(duì)隊(duì)形發(fā)生改變，編隊(duì)系統(tǒng)中的無人機(jī)個(gè)體直接跟蹤保持虛擬結(jié)構(gòu)上的固定坐標(biāo)點(diǎn)就可以完成設(shè)定好的編隊(duì)飛行巡檢路線。
3）人工勢場法。人工勢場法在無人機(jī)航線軌跡規(guī)劃上用的較多。這是一種利用物理吸引力和排斥力的概念的虛擬力方法，障礙物和目標(biāo)點(diǎn)會(huì)對(duì)無人機(jī)會(huì)產(chǎn)生不同的力，目標(biāo)點(diǎn)對(duì)無人機(jī)具有吸引力，障礙物對(duì)無人機(jī)具有排斥力，兩者的結(jié)合即合力對(duì)無人機(jī)產(chǎn)生加速力，從而控制無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)。
人工勢場法的優(yōu)點(diǎn)在于原理簡單和實(shí)時(shí)性較好，但對(duì)無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束問題無法進(jìn)行處理，所以此類方法用在無人機(jī)編隊(duì)飛行的研究比較少。
關(guān)于控制方法的介紹就到這里，實(shí)在顯得有點(diǎn)乏味，但是在做任何的研究之前，又不得不去查閱相關(guān)的文獻(xiàn)，了解相關(guān)技術(shù)近年來的發(fā)展。
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大家好，我是張巧龍，一名教電子的大學(xué)老師，歡迎關(guān)注！
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