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設備與工具無人機由于維護成本低、無需駕駛員操控、具有高度的靈活性和可擴展性等特點，在軍需和民用方面都具備廣泛的應用場景。近年來，無人機作為一種新興行業(yè)得以蓬勃發(fā)展，給各行各業(yè)提供了全新的作業(yè)方式，重新塑造了生產(chǎn)力。
伴隨應用層次的擴展、無人機性能的逐步提升，各種類型的無人機如雨后春筍般涌現(xiàn)，數(shù)量也呈現(xiàn)爆炸性增長的趨勢。民用市場中，就中小型無人機而言，多旋翼與固定翼分別占據(jù)半壁江山，各自具有較強的差異化優(yōu)勢，適用于不同的應用場景。具體而言，多旋翼能夠垂直起降、空中懸停而且機身靈活，適用于復雜環(huán)境精細的作業(yè)；固定翼具備速度快、續(xù)航長、效率高的特點，適用于大范圍的巡查。
兩者的差異化優(yōu)勢很大程度上是互補的，隨著行業(yè)需求的細化和應用場景的豐富，采用多旋翼和固定翼進行多機型協(xié)同作業(yè)是未來發(fā)展的趨勢，能夠充分實現(xiàn)能力互補，達到“1+1>2”的實際效果?？梢灶A見，未來的天空中將會出現(xiàn)各式各樣的飛行器協(xié)同工作。
為了使不同類型的飛行器在天空中能夠安全自由地飛行，需要設計一套合作方案，固定翼飛行器和多旋翼飛行器都遵循這樣的一套方案，進行合作從而避免碰撞，這也是構(gòu)建合理空中交通系統(tǒng)的基礎。本文旨在為固定翼和多旋翼飛行器設計合作策略，能夠保證不同種類的飛行器運動到目標地點的同時避免與其他飛行器發(fā)生碰撞。
圖1
本文介紹了固定翼和多旋翼飛行器集群避碰的問題，并針對該問題介紹了避碰算法的基本思路，然后將避碰算法寫入集群控制模型，進行三維空間避碰的數(shù)值仿真和視景仿真，最后介紹了搭建的仿真平臺的基本功能和仿真效果，能夠集成化地測試避碰算法的效果。
本文導讀
研究問題
避碰算法設計
仿真綜合測試與平臺搭建
研究問題
本文所要解決的具體問題是對一個由固定翼和多旋翼組成的異構(gòu)飛行器集群設計合理的避碰算法和控制器。集群中每一架無人機能夠知道自身的實時位置和速度，并考慮估計噪聲；每一架無人機通過通信獲得其余無人機的位置和速度，并考慮估計噪聲和通信延遲。本文選取了多旋翼主動避碰固定翼飛行器的避碰策略，研究避碰算法以及集群控制器的設計，根據(jù)集群的實時狀態(tài)輸出每架無人機的控制速度，實現(xiàn)異構(gòu)集群沿預定軌跡運動且相互之間不發(fā)生碰撞的目標。
為了簡化分析和設計，假設集群中飛行器的初始位置均能保證飛行器相距足夠遠，可以忽略飛行器形狀的影響，避免出現(xiàn)無法避碰的極端情況，并且為集群設置了管道飛行的場景。管道的作用在于為異構(gòu)飛行器集群設置了公共的運動空間，引導并限制集群在管道內(nèi)運動至目標點。
圖2
避碰算法設計
結(jié)合人工勢場法和VO(Velocity Obstacle)算法提出了適應多旋翼避碰固定翼場景的避碰算法，我們分別看一下人工勢場法和VO算法的具體含義。
人工勢場法將無人飛行器視作帶電微粒，障礙物視作帶有同種電荷產(chǎn)生斥力勢場，目標點視作帶有異種電荷產(chǎn)生引力勢場，無人飛行器在電勢場中受合力作用避開障礙物并到達目標點，應用人工勢場法的關鍵在于設計合理的斥力勢場函數(shù)。
圖3
VO算法首先定義了VO區(qū)域的概念，在二維平面內(nèi)它的幾何直觀是一個半徑無窮大的扇形區(qū)域，在三維空間中它的幾何直觀是一個錐形區(qū)域，它在物理含義上代表了避碰主體的速度取值區(qū)域，當避碰主體的速度位于這片VO區(qū)域時，表明避碰主體會與障礙物發(fā)生碰撞。為了能夠達到避碰的目的，需要在VO區(qū)域之外選取避碰主體的速度，具體的速度選擇標準可以包括：速度指向終點、速率最大等等。
圖4
本文的避碰算法結(jié)合了人工勢場法和VO算法并應用于多旋翼飛行器。首先根據(jù)人工勢場法計算得到控制在管道內(nèi)飛行的速度、沿航跡線前飛的速度以及避碰其余多旋翼的速度，三個速度分量的矢量加和得到偏好速度。偏好速度不一定能夠避開固定翼飛行器，所以需要依據(jù)VO算法進行判斷和調(diào)整。如果偏好速度位于VO區(qū)域內(nèi)，就需要在VO區(qū)域之外尋找一個距離偏好速度最近的速度作為輸出避碰速度。
圖 5
圖6
仿真綜合測試與平臺搭建
該部分首先搭建了集群控制模型，并將人工勢場法與VO算法結(jié)合的避碰算法寫入控制器模塊，進行三維空間內(nèi)多旋翼避碰固定翼的數(shù)值仿真，并編寫顯示接口模塊，在UE4顯示引擎中顯示飛行器集群避碰的場景，數(shù)值仿真和視景仿真的效果圖可以看下面兩幅動圖。
圖7
圖8
仿真結(jié)果表明，在避碰算法的作用下多旋翼集群能夠向兩側(cè)散開，主動避讓從后方駛來的固定翼集群。在本文中，我還將本文提出算法和單獨的人工勢場法進行了避碰效果的比較，結(jié)果表明本文的算法在多旋翼避碰固定翼場景中的避碰更具有優(yōu)勢。
為了能夠方便于避碰算法的綜合測試，本文還搭建了仿真測試平臺，設計了圖形化界面，目前的平臺支持手動輸入、文件導入和批量生成三種輸入方式，具體的界面使用方法和平臺仿真效果下面的視頻進行了展示。搭建的該平臺能夠任意修改集群數(shù)目、初始位置和通信噪聲參數(shù)，實現(xiàn)在多種條件下的綜合仿真。
圖9
圖10
本人在北航可靠飛行控制研究組完成本科畢業(yè)設計。本文節(jié)選并改編于“張璇. 異構(gòu)飛行器空域下的多旋翼避碰控制設計[D] 北京航空航天大學本科學位論文，北京?！?/p>
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