本發(fā)明是一種基于小型鳥類集群飛行機(jī)制的無(wú)人機(jī)編隊(duì)方法，屬于無(wú)人機(jī)自主控制領(lǐng)域。

二、

背景技術(shù)：

無(wú)人機(jī)集群技術(shù)近來(lái)成為熱門研究領(lǐng)域，一方面源于無(wú)人機(jī)實(shí)踐應(yīng)用中的需求，任務(wù)愈加復(fù)雜多樣，對(duì)單體無(wú)人機(jī)的性能要求不斷提高。偵查無(wú)人機(jī)在單一任務(wù)中可能需要攜帶可見光、紅外、熱成像、超聲波、激光等多種傳感器載荷，在復(fù)雜的地形中隱蔽搜索；運(yùn)輸無(wú)人機(jī)可能要穿越面積廣闊的無(wú)人區(qū)，需要具備長(zhǎng)航程、長(zhǎng)航時(shí)和高可靠性；作戰(zhàn)無(wú)人機(jī)需要攜帶大量任務(wù)載荷，如多種武器彈藥，同時(shí)需要實(shí)時(shí)判讀戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息，動(dòng)態(tài)進(jìn)行任務(wù)重規(guī)劃，對(duì)機(jī)載任務(wù)處理器的要求非常高。

另一方面因?yàn)閱误w無(wú)人機(jī)技術(shù)遇到瓶頸，預(yù)見短時(shí)期內(nèi)難以取得突破性進(jìn)展。傳感器尺寸難以進(jìn)一步縮小，異種傳感器集成化困難，導(dǎo)致高性能多傳感器偵查無(wú)人機(jī)的體積較大，不利于隱蔽；電池或者化石燃料的能量密度無(wú)法大幅提高，單架無(wú)人機(jī)要想提高航程主要依賴削減冗余重量，但減重不解決根本問題；當(dāng)前人工智能水平有限，單體無(wú)人機(jī)任務(wù)越復(fù)雜，可靠性越低。

相比于發(fā)展大型復(fù)雜的單體無(wú)人機(jī)，使用小型簡(jiǎn)易多無(wú)人機(jī)編隊(duì)來(lái)完成任務(wù)成為一種可行選擇。對(duì)于偵察任務(wù)，將多種多個(gè)載荷分布到不同無(wú)人機(jī)上，組織傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以減小尺寸，隱蔽偵查；對(duì)于運(yùn)輸任務(wù)，采用多機(jī)接力，分散搬運(yùn)方式實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)途運(yùn)輸；對(duì)于打擊任務(wù)，將彈藥、任務(wù)分配到多無(wú)人機(jī)上，采用分布式架構(gòu)的多機(jī)集群方案，每架無(wú)人機(jī)只需要執(zhí)行相對(duì)簡(jiǎn)單的子任務(wù)，降低處理器運(yùn)算能力需求，提高可靠性。

多無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)，首先要滿足有序飛行條件，解決無(wú)人機(jī)編隊(duì)問題。考慮到無(wú)人機(jī)群數(shù)量龐大，可能達(dá)到數(shù)百數(shù)千量級(jí)，傳統(tǒng)的編隊(duì)方法難以奏效。當(dāng)前無(wú)人機(jī)自主編隊(duì)方法主要包括：長(zhǎng)機(jī)僚機(jī)法、虛擬結(jié)構(gòu)法、人工勢(shì)場(chǎng)法和基于行為方法。長(zhǎng)機(jī)僚機(jī)法簡(jiǎn)單易行，長(zhǎng)機(jī)獲取編隊(duì)方位與目標(biāo)坐標(biāo)，率領(lǐng)編隊(duì)飛行，僚機(jī)只需跟隨長(zhǎng)機(jī)，與之保持固定隊(duì)型；但該方法對(duì)長(zhǎng)機(jī)依賴程度高，一旦長(zhǎng)機(jī)失效，編隊(duì)解體。虛擬結(jié)構(gòu)法假設(shè)一個(gè)剛體在空間中運(yùn)動(dòng)，剛體的各個(gè)頂點(diǎn)是無(wú)人機(jī)的跟蹤目標(biāo)；但在轉(zhuǎn)彎時(shí)，不同位置無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)路徑長(zhǎng)短不同，還可能出現(xiàn)繞圈現(xiàn)象。人工勢(shì)場(chǎng)法假設(shè)每架無(wú)人機(jī)四周存在依賴于距離的引力、斥力場(chǎng)，相鄰飛機(jī)按間距不同收到引力或斥力的作用，通過(guò)合理設(shè)計(jì)勢(shì)場(chǎng)種類、形狀、參數(shù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定編隊(duì)?；谛袨榈姆椒▽o(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)抽象為少數(shù)簡(jiǎn)單的行為，如平飛、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等，無(wú)人機(jī)通過(guò)評(píng)估當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，得出下一步采取的行為，以期保持編隊(duì)構(gòu)型；基于該方法的編隊(duì)穩(wěn)定性與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)收斂性難以得到保證，如何從當(dāng)前狀態(tài)計(jì)算出下一步行為，這涉及到有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)問題，目前沒有統(tǒng)一的方案。

自然界中的鳥群飛行給人以啟發(fā)，小型社會(huì)性鳥類，如鴿子、歐椋鳥，常構(gòu)成成百上千的鳥群，飛行時(shí)遮天蔽日，蔚為壯觀。鳥群雖然形狀多變，但致密有序，飛行時(shí)方向高度一致，轉(zhuǎn)彎爬升俯沖靈活，個(gè)體不會(huì)碰撞，其背后蘊(yùn)含的規(guī)則值得借鑒，將其運(yùn)用到無(wú)人機(jī)編隊(duì)中來(lái)。

國(guó)外動(dòng)物行為學(xué)者對(duì)鴿子、歐椋鳥進(jìn)行了多年的觀察，并總結(jié)出了一些鳥群行為機(jī)制。Nagy研究鴿群內(nèi)部動(dòng)力學(xué)，提出一種多層級(jí)的領(lǐng)導(dǎo)跟隨模型。Akos觀察發(fā)現(xiàn)速度決定領(lǐng)導(dǎo)關(guān)系，飛行慢的鴿子會(huì)主動(dòng)跟隨快的鴿子，這是因?yàn)榭禅澴油悄旮涣?qiáng)、生存經(jīng)驗(yàn)豐富的個(gè)體，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)食物或躲避危險(xiǎn)。Cavagna發(fā)現(xiàn)歐椋鳥群中存在一種無(wú)視距離的信息傳輸機(jī)制，無(wú)論個(gè)體間距大小，部分信息總能快速傳遞。Lukeman建立了鴿群模型，將鴿子之間的相互作用抽象為近程斥力、中程隊(duì)列力、遠(yuǎn)程引力和前向作用力，并且其賦值比例約為100:10:10:1。Cisbani觀察歐椋鳥的集群行為，認(rèn)為歐椋鳥的信息傳遞依賴于拓?fù)渚嚯x而非幾何距離，一只歐椋鳥與6到7只鄰居保持固定通信關(guān)系，無(wú)視遠(yuǎn)近。Yomosa觀察了鴿群轉(zhuǎn)彎行為，提出了兩種轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)制，平行轉(zhuǎn)彎與等半徑轉(zhuǎn)彎，平行轉(zhuǎn)彎指鴿群保持平飛時(shí)的固定隊(duì)型轉(zhuǎn)彎，等半徑轉(zhuǎn)彎指解散隊(duì)形，個(gè)體選擇相同半徑，在同一方向自行確定圓心，分散轉(zhuǎn)彎，這一方式在規(guī)避捕食等緊急情況時(shí)較為常見。這些研究基礎(chǔ)為本專利所提出的無(wú)人機(jī)編隊(duì)方法提供了理論依據(jù)與背景。

三、

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

1、發(fā)明目的：

本發(fā)明提出一種基于小型鳥類集群飛行機(jī)制的無(wú)人機(jī)編隊(duì)方法，其目的是設(shè)計(jì)用于維持多無(wú)人機(jī)構(gòu)型的編隊(duì)控制器，引導(dǎo)編隊(duì)飛向指定路徑點(diǎn)的制導(dǎo)器和依據(jù)飛行狀態(tài)切換運(yùn)動(dòng)模式的選擇器，實(shí)現(xiàn)多機(jī)編隊(duì)協(xié)調(diào)飛行。

該方法采用質(zhì)點(diǎn)模型描述無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)，仿照鴿子、歐椋鳥集群運(yùn)動(dòng)模型，為每架無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)編隊(duì)控制力，分為基于拓?fù)渚嚯x的隊(duì)形保持力和基于幾何距離的安全作用力，每架無(wú)人機(jī)同時(shí)受到兩種力。通過(guò)仿真得到理想的編隊(duì)航跡，驗(yàn)證本發(fā)明的有效性。

2、技術(shù)方案：

本發(fā)明提出的多無(wú)人機(jī)編隊(duì)方法適應(yīng)性較好，為解決小型無(wú)人機(jī)大規(guī)模集群編隊(duì)提供一種可行技術(shù)手段，其主要實(shí)施步驟如下。

步驟一：設(shè)計(jì)基于鳥群層級(jí)結(jié)構(gòu)的無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)

因?yàn)槊考軣o(wú)人機(jī)對(duì)環(huán)境的感知能力有限，需要多機(jī)構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)感知能力，獲得必要的編隊(duì)信息。

無(wú)人機(jī)集群采用三層“領(lǐng)導(dǎo)-中繼-跟隨”結(jié)構(gòu)。領(lǐng)導(dǎo)層無(wú)人機(jī)負(fù)責(zé)匯總編隊(duì)內(nèi)所有無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并做出決策，如計(jì)算下一步的飛行方向與速度，會(huì)參考中繼層、跟隨層個(gè)體的狀態(tài)，當(dāng)中繼層無(wú)人機(jī)速度較慢時(shí)，領(lǐng)導(dǎo)層無(wú)人機(jī)同樣會(huì)減速，保持構(gòu)型；反之加速。中繼層個(gè)體在集群運(yùn)動(dòng)時(shí)，圍繞在領(lǐng)導(dǎo)個(gè)體周圍，實(shí)時(shí)探測(cè)領(lǐng)導(dǎo)個(gè)體行為，并調(diào)整自身狀態(tài)與其保持一致。“領(lǐng)導(dǎo)-中繼”之間采用雙向通信。跟隨層無(wú)人機(jī)參考中繼層，計(jì)算下一時(shí)刻自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，“中繼-跟隨”同樣采用雙向通信。外部信息經(jīng)由基于鳥群層級(jí)結(jié)構(gòu)的無(wú)人機(jī)通信拓?fù)?，從領(lǐng)導(dǎo)層傳向中繼層，最終傳遞到跟隨層。該通信網(wǎng)絡(luò)基于拓?fù)渚嚯x，即無(wú)人機(jī)保持固定的通信關(guān)系，不受實(shí)際間距影響。該設(shè)計(jì)使得無(wú)人機(jī)編隊(duì)具備較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，如需要急轉(zhuǎn)彎時(shí)，可以避免由速度差異過(guò)大，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)間距超過(guò)鄰域通信距離，鄰居間通信失效，編隊(duì)解體的問題。

步驟二：設(shè)計(jì)基于鳥群覓食行為的編隊(duì)導(dǎo)航器

鳥群在覓食時(shí)，一些經(jīng)驗(yàn)豐富，感覺敏銳的個(gè)體會(huì)第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)食物，并朝之飛行，這些個(gè)體便充當(dāng)領(lǐng)導(dǎo)層；剩余成員只需要跟隨領(lǐng)導(dǎo)，就可以獲取食物，成為中繼或跟隨層。

采用雙積分動(dòng)力學(xué)描述編隊(duì)中無(wú)人機(jī)個(gè)體的運(yùn)動(dòng)，無(wú)人機(jī)受力得到加速度，加速度積分得到速度，二次積分得到位置增量。

其中是導(dǎo)航力，模擬食物源對(duì)鳥的吸引，對(duì)于無(wú)人機(jī)，則用目的地代替食物源，吸引無(wú)人機(jī)飛向指定位置。是社會(huì)力，模擬鳥群中鄰居個(gè)體保持間距和協(xié)調(diào)速度的效果。此處將無(wú)人機(jī)質(zhì)量取為1，這是從鳥群模型繼承而來(lái)的，因?yàn)椴煌B類個(gè)體質(zhì)量不同，建模統(tǒng)一刻畫鳥群行為時(shí)忽略其質(zhì)量。

由距離誤差a和速度反饋v構(gòu)成，代表無(wú)人機(jī)的目標(biāo)位置，x是其當(dāng)前位置，二者距離誤差越大，產(chǎn)生的加速度越大，驅(qū)動(dòng)無(wú)人機(jī)加速飛行。速度反饋v用于增大二階系統(tǒng)阻尼比，產(chǎn)生滿足系統(tǒng)穩(wěn)定條件的控制力，γ是速度反饋系數(shù)，一般取值為2。

領(lǐng)導(dǎo)層無(wú)人機(jī)的距離誤差項(xiàng)與中繼、跟隨層不同，差異在于縮放系數(shù)，領(lǐng)導(dǎo)層無(wú)人機(jī)受目的地吸引，速度較快，中繼、跟隨層無(wú)人機(jī)相比之下，速度較小，需要協(xié)調(diào)兩種速度。采用縮放系數(shù)k_slow，領(lǐng)導(dǎo)層個(gè)體距離目的地越遠(yuǎn)，該系數(shù)越小，領(lǐng)導(dǎo)層收到的目的地吸引力越小，同時(shí)中繼、跟隨層受到的吸引力越大，加速跟蹤領(lǐng)導(dǎo)層無(wú)人機(jī)。

其中dis是領(lǐng)導(dǎo)層個(gè)體實(shí)際位置與期望位置的距離差，是領(lǐng)導(dǎo)無(wú)人機(jī)位置，是中繼層無(wú)人機(jī)平均位置，表示中繼層無(wú)人機(jī)平均速度方向，L是領(lǐng)導(dǎo)無(wú)人機(jī)超前中繼無(wú)人機(jī)的期望距離，如附圖3所示。

步驟三：設(shè)計(jì)基于鳥群鄰居交互行為的編隊(duì)控制器

基于鳥群鄰居交互行為的編隊(duì)控制器服從基于幾何距離的通信關(guān)系，依據(jù)兩架無(wú)人機(jī)的間距大小和夾角，兩者之間存在斥力、隊(duì)列力、引力或者前向作用力。

其中是基于鳥群鄰居交互行為的編隊(duì)控制力，其由四項(xiàng)單位力構(gòu)成，即力的幅值為1，但方向各異；力的大小由對(duì)應(yīng)系數(shù)ω_sep、ω_ali、ω_att、ω_front。編隊(duì)控制力各項(xiàng)列舉如下，

第i架無(wú)人機(jī)收到的引力采用高斯力形式，r_sep是斥力最遠(yuǎn)距離，是編隊(duì)中第i架無(wú)人機(jī)位置，是第j架無(wú)人機(jī)位置，||.||代表2范數(shù)。引力方向從無(wú)人機(jī)j指向i，作用區(qū)域是以無(wú)人機(jī)縱軸為中線，夾角大于30度，距離小于r_sep的扇形區(qū)域，如附圖1中A區(qū)域所示。

表示第i架無(wú)人機(jī)受到的隊(duì)列力，表示無(wú)人機(jī)i的速度方向，是無(wú)人機(jī)j的速度方向，r_ali是隊(duì)列力作用半徑。隊(duì)列力修正無(wú)人機(jī)i的速度方向，使之與無(wú)人機(jī)j方向一致。其作用域位是距離無(wú)人機(jī)ir_sep到r_ali，夾角大于30度的扇環(huán)內(nèi)，如附圖1中B區(qū)域所示。

表示無(wú)人機(jī)i受到的吸引力，從無(wú)人機(jī)i指向無(wú)人機(jī)j，吸引i向j靠攏。r_att是吸引力作用半徑。吸引力作用域是距離無(wú)人機(jī)ir_ali到r_att，夾角大于30度的扇環(huán)，如附圖1中C區(qū)域所示。

表示無(wú)人機(jī)i受到的前向作用力，r_att是前向作用力的半徑。前向作用力分為前向引力和前向斥力，r_mid是二者分界線，前者吸引鄰居無(wú)人機(jī)j飛向無(wú)人機(jī)i，后者將i推離j。前向作用力的作用域是與無(wú)人機(jī)縱軸夾角30度的扇形，如附圖1中D、E區(qū)域所示。

基于鳥群鄰居交互行為的編隊(duì)控制力基于距離的控制力，包括引力、斥力和前向作用力，因?yàn)殛?duì)列力與距離無(wú)關(guān)，只依賴于鄰居速度。附圖1是二維平面圖。無(wú)人機(jī)i最外側(cè)與最內(nèi)側(cè)受力最大，這兩個(gè)區(qū)域最不穩(wěn)定，與無(wú)人機(jī)縱軸夾角大于30度的相鄰無(wú)人機(jī)在編隊(duì)力的作用下調(diào)整位置，最終落在隊(duì)列力作用區(qū)域。在隊(duì)列力作用下，速度趨于一致，實(shí)現(xiàn)雷納德集群三原則：吸引、分離、列隊(duì)，這是形成穩(wěn)定編隊(duì)構(gòu)型的基礎(chǔ)。夾角小于30度的無(wú)人機(jī)會(huì)落在前向引力、前向斥力的分界線處，該位置處兩種力大小相等方向相反，是穩(wěn)定位置。

步驟四：基于鳥群行為的飛行模式切換器

本發(fā)明提出的基于小型鳥類集群飛行策略的無(wú)人機(jī)編隊(duì)方法包含三種飛行模式：平飛、等半徑轉(zhuǎn)彎和編隊(duì)重構(gòu)。平飛模式用于編隊(duì)巡航，要求無(wú)人機(jī)俯仰角、滾轉(zhuǎn)角保持為零，穩(wěn)定飛行，期間執(zhí)行任務(wù)。

當(dāng)下一個(gè)目的地與當(dāng)前編隊(duì)飛行方向夾角超過(guò)45度時(shí)，進(jìn)入等半徑轉(zhuǎn)彎模式；否則維持平飛，進(jìn)行小幅度轉(zhuǎn)彎。等半徑轉(zhuǎn)彎來(lái)源于歐椋鳥群躲避捕食的應(yīng)急行為，歐椋鳥獲得使能信號(hào)后，群體協(xié)商得出相同的轉(zhuǎn)彎半徑R，每只歐椋鳥以自身當(dāng)前位置為起始點(diǎn)，在當(dāng)前速度的法方向上截取長(zhǎng)度R，終點(diǎn)即為轉(zhuǎn)彎圓心，繞此圓心以相同角速度劃弧(轉(zhuǎn)彎超過(guò)45度)，得出等半徑轉(zhuǎn)彎軌跡。該模式會(huì)暫時(shí)解散編隊(duì)構(gòu)型，相應(yīng)的益處是增大轉(zhuǎn)彎的靈活性，每架無(wú)人機(jī)不受目標(biāo)位置的約束，此時(shí)基于鳥群覓食行為的編隊(duì)導(dǎo)航器不起作用，但設(shè)計(jì)基于鳥群鄰居交互行為的編隊(duì)控制器仍然工作，將多機(jī)間距控制在合理范圍內(nèi)，避免無(wú)人機(jī)過(guò)于分散，為編隊(duì)重構(gòu)提供方便。

編隊(duì)重構(gòu)模式起到過(guò)渡作用，從等半徑轉(zhuǎn)彎模式恢復(fù)到平飛模式，重建原先編隊(duì)構(gòu)型。當(dāng)每架無(wú)人機(jī)結(jié)束轉(zhuǎn)彎后，維持自身速度方向不變，調(diào)整速度大小。當(dāng)領(lǐng)導(dǎo)無(wú)人機(jī)落后于中繼層無(wú)人機(jī)時(shí)，領(lǐng)導(dǎo)無(wú)人機(jī)以二倍速度平飛，中繼無(wú)人機(jī)速度折半，當(dāng)領(lǐng)導(dǎo)無(wú)人機(jī)在前進(jìn)方向上超過(guò)所有中繼無(wú)人機(jī)后，認(rèn)為重構(gòu)模式結(jié)束，多無(wú)人機(jī)恢復(fù)到原穩(wěn)定構(gòu)型，進(jìn)入平飛模式。

3、優(yōu)點(diǎn)及效果：

本發(fā)明提出一種基于小型鳥類集群飛行策略的無(wú)人機(jī)編隊(duì)方法，其目的是實(shí)現(xiàn)數(shù)十乃至數(shù)百架小型無(wú)人機(jī)有序編隊(duì)飛行。本方法涵蓋了集群編隊(duì)控制、編隊(duì)航路規(guī)劃、編隊(duì)重構(gòu)的功能，模擬鴿子、歐椋鳥群體基于拓?fù)渚嚯x與幾何距離鄰居交互機(jī)制，用于多無(wú)人機(jī)通信。本發(fā)明不依賴于特定環(huán)境，面對(duì)不同任務(wù)均表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)性與有效性。

四、附圖說(shuō)明

圖1為基于鳥群鄰居交互行為的編隊(duì)控制力作用域。

圖2為5架無(wú)人機(jī)編隊(duì)任務(wù)想定。

圖3為5架無(wú)人機(jī)編隊(duì)構(gòu)型與通信網(wǎng)絡(luò)示意圖。

圖4為基于小型鳥類集群飛行策略的5架無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行航跡。

圖5為本發(fā)明方法整體流程圖。

圖中標(biāo)號(hào)及符號(hào)說(shuō)明如下：

A編隊(duì)引力作用域

B編隊(duì)隊(duì)列力作用域

C編隊(duì)斥力作用域

D編隊(duì)前向引力作用域

E編隊(duì)前向斥力作用域

L編隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)層與中繼層無(wú)人機(jī)期望間距

五、具體實(shí)施方式

下面通過(guò)一個(gè)具體的實(shí)例來(lái)驗(yàn)證本發(fā)明所提出的設(shè)計(jì)方法的有效性。5架無(wú)人機(jī)編隊(duì)執(zhí)行巡邏任務(wù)，圍繞一個(gè)300m×300m的正方形區(qū)域逆時(shí)針環(huán)形一周，任務(wù)示意圖如附圖2所示。每架無(wú)人機(jī)攜帶小范圍探測(cè)裝置，可以探測(cè)以自身位置為圓心，半徑20米的圓形區(qū)域，因此無(wú)人機(jī)編隊(duì)中只要有一架距離某個(gè)路徑點(diǎn)小于20米，則認(rèn)為經(jīng)過(guò)該路徑點(diǎn)，而無(wú)需嚴(yán)格飛過(guò)該點(diǎn)。編隊(duì)構(gòu)型為倒V字形，尖角指向飛行方向，頂角為30度，相鄰無(wú)人機(jī)間距為3.75米，構(gòu)型示意圖如附圖3所示?？紤]到無(wú)人機(jī)實(shí)際性能，其最大飛行速度限制在5米/秒以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)配置為intel i7-6700處理器，3.40G hz主頻，8G內(nèi)存，軟件為MATLAB 2012b版本。

如圖5所示，本實(shí)例的具體實(shí)踐步驟如下：

步驟一：設(shè)計(jì)基于鳥群層級(jí)結(jié)構(gòu)的無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)

本實(shí)例中的無(wú)人機(jī)編隊(duì)采用三層“領(lǐng)導(dǎo)-中繼-跟隨”結(jié)構(gòu)，領(lǐng)導(dǎo)層無(wú)人機(jī)模擬鳥群中的領(lǐng)導(dǎo)者，是其他個(gè)體行動(dòng)的參照對(duì)象。中繼層個(gè)體在集群運(yùn)動(dòng)時(shí)，圍繞在領(lǐng)導(dǎo)個(gè)體周圍，實(shí)時(shí)觀察領(lǐng)導(dǎo)個(gè)體行為，并調(diào)整自身狀態(tài)與其保持一致。“領(lǐng)導(dǎo)-中繼”之間采用雙向通信，中繼第一時(shí)間獲取領(lǐng)導(dǎo)的動(dòng)態(tài)，同時(shí)領(lǐng)導(dǎo)在做出決策時(shí)，如計(jì)算下一步的飛行方向與速度，會(huì)參考中繼層個(gè)體的狀態(tài)。這起到反饋的效果，領(lǐng)導(dǎo)層無(wú)人機(jī)同樣是編隊(duì)的一部分，不應(yīng)脫離群體，當(dāng)中繼層無(wú)人機(jī)速度較慢時(shí)，領(lǐng)導(dǎo)層無(wú)人機(jī)同樣會(huì)減速，保持構(gòu)型；反之加速。跟隨層無(wú)人機(jī)參考中繼層，計(jì)算下一時(shí)刻自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，“中繼-跟隨”同樣采用雙向通信。外部信息經(jīng)由基于鳥群層級(jí)結(jié)構(gòu)的無(wú)人機(jī)通信拓?fù)洌瑥念I(lǐng)導(dǎo)層傳向中繼層，最終傳遞到跟隨層，模擬鳥群機(jī)制實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)編隊(duì)對(duì)外部信息感知。該通信網(wǎng)絡(luò)基于拓?fù)渚嚯x，即無(wú)人機(jī)保持固定的通信關(guān)系，不受實(shí)際間距影響。本實(shí)例的無(wú)人機(jī)通信關(guān)系如附圖3中黑色實(shí)線箭頭所示，箭頭從無(wú)人機(jī)1指向無(wú)人機(jī)2代表1向2發(fā)數(shù)。在編隊(duì)中，無(wú)人機(jī)1充當(dāng)領(lǐng)導(dǎo)，無(wú)人機(jī)2、5作為中繼，無(wú)人機(jī)3、4是底層的跟隨者，“領(lǐng)導(dǎo)-中繼”、“中繼-跟隨”之間均采用雙向通信，如無(wú)人機(jī)1、2可以互相收發(fā)數(shù)據(jù)。

步驟二：設(shè)計(jì)基于鳥群覓食行為的編隊(duì)導(dǎo)航器

本實(shí)例采用雙積分動(dòng)力學(xué)描述編隊(duì)中無(wú)人機(jī)個(gè)體的運(yùn)動(dòng)，無(wú)人機(jī)受力得到加速度，加速度積分得到速度，二次積分得到位置增量。

其中是導(dǎo)航力，對(duì)于無(wú)人機(jī)編隊(duì)，依次用5個(gè)路徑點(diǎn)代表目的地，吸引無(wú)人機(jī)飛向指定位置起始點(diǎn)坐標(biāo)為(0,0)，五個(gè)路徑點(diǎn)依次為(150,0)、(150,150)、(-150,150)、(-150,0)、(0,0)。是社會(huì)力，模擬鳥群中鄰居個(gè)體保持間距和協(xié)調(diào)速度的效果。此處將無(wú)人機(jī)質(zhì)量取為1，這是從鳥群模型繼承而來(lái)的，因?yàn)椴煌B類個(gè)體質(zhì)量不同，建模統(tǒng)一刻畫鳥群行為時(shí)忽略其質(zhì)量。

由距離誤差a和速度反饋v構(gòu)成，代表無(wú)人機(jī)的目標(biāo)位置，x是其當(dāng)前位置，二者距離誤差越大，產(chǎn)生的加速度越大，驅(qū)動(dòng)無(wú)人機(jī)加速飛行。速度反饋v用于增大二階系統(tǒng)阻尼比，產(chǎn)生滿足系統(tǒng)穩(wěn)定條件的控制力，γ是速度反饋系數(shù)，本實(shí)例中取值為2。

領(lǐng)導(dǎo)層無(wú)人機(jī)的距離誤差項(xiàng)與中繼、跟隨層不同，差異在于縮放系數(shù)，領(lǐng)導(dǎo)層無(wú)人機(jī)受目的地吸引，速度較快，中繼、跟隨層無(wú)人機(jī)相比之下，速度較小，需要協(xié)調(diào)兩種速度。采用縮放系數(shù)k_slow，領(lǐng)導(dǎo)層個(gè)體距離目的地越遠(yuǎn)，該系數(shù)越小，領(lǐng)導(dǎo)層收到的目的地吸引力越小，同時(shí)中繼、跟隨層受到的吸引力越大，加速跟蹤領(lǐng)導(dǎo)層無(wú)人機(jī)。

其中dis是領(lǐng)導(dǎo)層無(wú)人機(jī)1實(shí)際位置與期望位置的距離差，是領(lǐng)導(dǎo)無(wú)人機(jī)位置，是中繼層無(wú)人機(jī)平均位置，表示中繼層無(wú)人機(jī)平均速度方向，L是領(lǐng)導(dǎo)無(wú)人機(jī)超前中繼無(wú)人機(jī)的期望距離，如附圖3所示。

步驟三：設(shè)計(jì)基于鳥群鄰居交互行為的編隊(duì)控制器

基于鳥群鄰居交互行為的編隊(duì)控制器服從基于幾何距離的通信關(guān)系，依據(jù)兩架無(wú)人機(jī)的間距大小和夾角，兩者之間存在斥力、隊(duì)列力、引力或者前向作用力。

其中是基于鳥群鄰居交互行為的編隊(duì)控制力，其由四項(xiàng)單位力構(gòu)成，即力的幅值為1，但方向各異；力的大小由對(duì)應(yīng)系數(shù)ω_sep、ω_ali、ω_att、ω_front。編隊(duì)力各項(xiàng)確定列舉如下，

第i架無(wú)人機(jī)收到的引力采用高斯力形式，r_sep是斥力最遠(yuǎn)距離，是編隊(duì)中第i架無(wú)人機(jī)位置，是第j架無(wú)人機(jī)位置，||.||代表2范數(shù)。引力方向從無(wú)人機(jī)j指向i，作用區(qū)域是以無(wú)人機(jī)縱軸為中線，夾角大于30度，距離小于r_sep的扇形區(qū)域，如附圖1中A區(qū)域所示。

表示第i架無(wú)人機(jī)受到的隊(duì)列力，表示無(wú)人機(jī)i的速度方向，是無(wú)人機(jī)j的速度方向，r_ali是隊(duì)列力作用半徑。隊(duì)列力修正無(wú)人機(jī)i的速度方向，使之與無(wú)人機(jī)j方向一致。其作用域位是距離無(wú)人機(jī)i r_sep到r_ali，夾角大于30度的扇環(huán)內(nèi)，如附圖1中B區(qū)域所示。

表示無(wú)人機(jī)i受到的吸引力，從無(wú)人機(jī)i指向無(wú)人機(jī)j，吸引i向j靠攏。r_att是吸引力作用半徑。吸引力作用域是距離無(wú)人機(jī)ir_ali到r_att，夾角大于30度的扇環(huán)，如附圖1中C區(qū)域所示。

表示無(wú)人機(jī)i受到的前向作用力，r_att是前向作用力的半徑。前向作用力分為前向引力和前向斥力，r_mid是二者分界線，前者吸引鄰居無(wú)人機(jī)j飛向無(wú)人機(jī)i，后者將i推離j。前向作用力的作用域是與無(wú)人機(jī)縱軸夾角30度的扇形，如附圖1中D、E區(qū)域所示。

步驟四：基于鳥群行為的飛行模式切換器

本實(shí)例驗(yàn)證的基于小型鳥類集群飛行策略的無(wú)人機(jī)編隊(duì)方法包含三種飛行模式：平飛、等半徑轉(zhuǎn)彎和編隊(duì)重構(gòu)。平飛模式用于編隊(duì)巡航，要求無(wú)人機(jī)俯仰角、滾轉(zhuǎn)角保持為零，穩(wěn)定飛行，期間執(zhí)行任務(wù)。

當(dāng)下一個(gè)目的地與當(dāng)前編隊(duì)飛行方向夾角為90度時(shí)，進(jìn)入等半徑轉(zhuǎn)彎模式，等半徑轉(zhuǎn)彎來(lái)源于歐椋鳥群躲避捕食的應(yīng)急行為。無(wú)人機(jī)獲得使能信號(hào)后，由領(lǐng)導(dǎo)無(wú)人機(jī)1確定公共的的轉(zhuǎn)彎半徑R，本實(shí)例中取R＝37.5米。每架無(wú)人機(jī)以自身當(dāng)前位置為起始點(diǎn)，在當(dāng)前速度的法方向上截取長(zhǎng)度R，終點(diǎn)即為轉(zhuǎn)彎圓心，繞此圓心以相同角速度劃弧，轉(zhuǎn)彎90度，得出等半徑轉(zhuǎn)彎軌跡。該模式會(huì)暫時(shí)解散編隊(duì)構(gòu)型，相應(yīng)的益處是增大轉(zhuǎn)彎的靈活性，每架無(wú)人機(jī)不受目標(biāo)位置的約束，此時(shí)基于鳥群覓食行為的編隊(duì)導(dǎo)航器不起作用，但設(shè)計(jì)基于鳥群鄰居交互行為的編隊(duì)控制器仍然工作，將多機(jī)間距控制在合理范圍內(nèi)，避免無(wú)人機(jī)過(guò)于分散，為編隊(duì)重構(gòu)提供方便。

編隊(duì)重構(gòu)模式起到過(guò)渡作用，從等半徑轉(zhuǎn)彎模式恢復(fù)到平飛模式，重建原先編隊(duì)構(gòu)型。當(dāng)每架無(wú)人機(jī)結(jié)束轉(zhuǎn)彎后，維持自身速度方向不變，調(diào)整速度大小。當(dāng)領(lǐng)導(dǎo)無(wú)人機(jī)落后于中繼層無(wú)人機(jī)時(shí)，領(lǐng)導(dǎo)無(wú)人機(jī)以2倍速度平飛，中繼無(wú)人機(jī)速度減為0.5倍，當(dāng)領(lǐng)導(dǎo)無(wú)人機(jī)在前進(jìn)方向上超過(guò)所有中繼無(wú)人機(jī)后，認(rèn)為重構(gòu)模式結(jié)束，多無(wú)人機(jī)恢復(fù)到原穩(wěn)定構(gòu)型，進(jìn)入平飛模式。

當(dāng)無(wú)人機(jī)編隊(duì)回到(0,0)原點(diǎn)時(shí)，編隊(duì)巡邏任務(wù)結(jié)束，編隊(duì)航跡如附圖4所示，5架無(wú)人機(jī)在直線航跡段采用編隊(duì)平飛模式，保持倒V字形構(gòu)型前飛。當(dāng)接近四角轉(zhuǎn)彎路徑點(diǎn)時(shí)，編隊(duì)解散進(jìn)入等半徑轉(zhuǎn)彎模式，5架無(wú)人機(jī)平滑轉(zhuǎn)彎，飛行方向逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)90度。切換到編隊(duì)重構(gòu)模式，此時(shí)領(lǐng)導(dǎo)無(wú)人機(jī)1保持航向，加速飛行，與中繼無(wú)人機(jī)2、5拉開距離差，還原編隊(duì)構(gòu)型；無(wú)人機(jī)2、5保持航向，減速飛行。當(dāng)無(wú)人機(jī)1在速度方向上領(lǐng)先于無(wú)人機(jī)2、5時(shí)，結(jié)束重構(gòu)模式，恢復(fù)平飛。從仿真結(jié)果中可以看出，基于小型鳥類集群飛行策略的無(wú)人機(jī)編隊(duì)方法較好地實(shí)現(xiàn)了5架無(wú)人機(jī)編隊(duì)巡邏任務(wù)，整體性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。