千架無人機編隊飛行，重現(xiàn)中國奧運健兒奪冠瞬間：背后技術是如何實現(xiàn)的？

時間：2021-08-13 16:48:51

關鍵字：無人機控制機器人

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[導讀]本文是從大魚機器人轉載的一篇干貨文章，詳細解析了8月8日東京奧運會閉幕式上泰達上空1000架無人機獻上了編隊飛行的表演的技術細節(jié)。無人機、機器人編隊或者是集群控制，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。在此稍微敘述下關于...

本文是從大魚機器人轉載的一篇干貨文章，詳細解析了8月8日東京奧運會閉幕式上泰達上空1000架無人機獻上了編隊飛行的表演的技術細節(jié)。

無人機、機器人編隊或者是集群控制，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。
在此稍微敘述下關于無人機的群體編隊方面的。
最早的研究是在60年代末，美國賓夕法尼亞大學，有一篇博士論文開始研究了關于直升機編隊飛行問題。
#四個編隊飛行問題
關于編隊飛行研究的問題無外乎以下4個：
編隊隊形的生成：如何將多個無人機進行聯(lián)系起來，完成編隊隊形的生成。
編隊隊形的保持：當無人機編隊隊形形成之后，如何保持且按照系統(tǒng)設定的編隊隊形進行飛行。
編隊隊形的變換：如果需要變換無人機編隊飛行的隊形，如何變換無人機編隊的隊形，即換成隊形。
編隊隊形的避障：系統(tǒng)編隊飛行時，遇到障礙物時，如何運動飛行從而避開障礙物；
#通信方法
在研究無人機編隊飛行算法前，需要去了解各個無人機之間的通信方法，通信方式可以將機群的控制方法分為以下幾種：
集中式控制方法：編隊系統(tǒng)中的個體都會互相通信，互相傳遞速度、坐標位置、運動狀態(tài)等信息。采用此種控制方法的系統(tǒng)飛行效果較好，因為編隊系統(tǒng)中的每個無人機都知道編隊系統(tǒng)中所有的信息，能做出更加科學的飛行決策和路線。
但此方式所帶來的缺點較為明顯，無人機個體之間都需要進行多個通信，需要互相傳遞較為多的數(shù)據(jù)信息，對無人機個體的計算速度以及內(nèi)存都要求比較高。數(shù)據(jù)量較大還會導致無人機產(chǎn)生丟失關鍵信息的問題。
分布式控制方法：就不存在上述信息量較大導致丟失的情況，無人機編隊系統(tǒng)中的個體只需要和領域的無人機進行通信，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，采用此種控制方法的編隊系統(tǒng)飛行效果會差一些。
正因為只無人機個體只需要和領域無人機通信，反而更好在實際應用中實現(xiàn)該控制方法。除此之外，該控制方法不牽扯到無人機編隊系統(tǒng)其它無人機個體，可以極為方便的對無人機編隊系統(tǒng)中的無人機個體進行刪減或增加。
比如，當編隊無人機系統(tǒng)中的某個個體出現(xiàn)故障導致編隊系統(tǒng)中的個體缺失時，對系統(tǒng)整體的影響較小，并可以實時的補充上其他無人機個體，讓編隊系統(tǒng)快速恢復正常的工作狀態(tài)。
分散式控制方法：編隊系統(tǒng)中的個體無人機之間不會進行通信，在編隊系統(tǒng)中，會約定好飛行固定點，系統(tǒng)中的無人機個體正常保持與固定點的相對關系就可以了。
由此可見，采用此種控制方法的編隊系統(tǒng)計算量更小，但其帶來的編隊飛行效果是極差的，由于編隊系統(tǒng)中的無人機個體不相互通信，可能會帶來無人機之間的碰撞從而發(fā)生嚴重事故。

#編隊控制方法
了解通信方式之后，下面可以介紹關于無人機編隊控制的一些控制方法：
1）跟隨領航的控制方法。首先設定無人機編隊系統(tǒng)中的一架作為領航無人機，其他個體為跟隨無人機，在編隊飛行時，跟隨無人機實時跟隨領航無人機進行飛行。
在此種控制算法中，由于有領航無人機和跟隨無人機的這種相對運動模式，我們可以將無人機編隊系統(tǒng)的隊形控制問題轉換成跟隨無人機跟隨領航者的位置運動情況。
這種控制方法被許多學者研究并實現(xiàn)，其優(yōu)點在于復雜的多個個體之間的問題可以轉換成單個個體的運動情況研究。
降低了個體研究的數(shù)量。但缺點也很明顯，整個無人機編隊系統(tǒng)的穩(wěn)定性都由領航者決定，依賴性較強，一旦領航者出現(xiàn)問題，整個系統(tǒng)將出現(xiàn)崩潰，除此之外，編隊系統(tǒng)也容易受外界干擾的影響。
2）虛擬結構法。虛擬結構法的主要思想是將無人機編隊系統(tǒng)的隊形組成看作是剛性的虛擬結構，在無人機編隊飛行運動期間，單個無人機個體可以看做是固定在虛擬結構上的固定位置上，一旦無人機編隊隊形發(fā)生改變，編隊系統(tǒng)中的無人機個體直接跟蹤保持虛擬結構上的固定坐標點就可以完成設定好的編隊飛行巡檢路線。
3）人工勢場法。人工勢場法在無人機航線軌跡規(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，障礙物和目標點會對無人機會產(chǎn)生不同的力，目標點對無人機具有吸引力，障礙物對無人機具有排斥力，兩者的結合即合力對無人機產(chǎn)生加速力，從而控制無人機的運動。
人工勢場法的優(yōu)點在于原理簡單和實時性較好，但對無人機的運動學約束問題無法進行處理，所以此類方法用在無人機編隊飛行的研究比較少。
關于控制方法的介紹就到這里，實在顯得有點乏味，但是在做任何的研究之前，又不得不去查閱相關的文獻，了解相關技術近年來的發(fā)展。
END
來源：大魚機器人，作者：張巧龍版權歸原作者所有，如有侵權，請聯(lián)系刪除。