超燃！千架無人機編隊飛行，重現(xiàn)中國奧運健兒奪冠瞬間
[導讀]大家好，我是張巧龍，在網(wǎng)上看到一個視頻，8月8日東京奧運會閉幕式同期，泰達上空1000架無人機獻上了編隊飛行的表演。#現(xiàn)場視頻無人機、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(guān)于無人...
大家好，我是張巧龍，在網(wǎng)上看到一個視頻，8月8日東京奧運會閉幕式同期，泰達上空1000架無人機獻上了編隊飛行的表演。
#現(xiàn)場視頻
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(guān)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(guān)于直升機編隊飛行問題。
#四個編隊飛行問題
關(guān)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(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(guān)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(guān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)法。虛擬結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)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(guān)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(guān)的文獻，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，一名教電子的大學老師，歡迎關(guān)注！
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