四旋翼无人机协同编队控制技术：基于仿真资料的研究与探索

四旋翼无人机编队控制，论文已经仿真资料

四旋翼编队控制这事儿说难不难，说简单也得掉层皮。去年实验室搞了个基于ROS的编队项目，三台大疆M300硬是被我们玩成了空中贪吃蛇。今天给大伙儿扒拉点真东西，从代码层面看看编队控制怎么落地。

先看编队生成的底层逻辑。我们当时用虚拟结构法搞了个菱形队列，核心是靠相对位置矩阵算目标点。下面这段Python代码在Gazebo仿真里跑得飞起：

def formation_generator(leader_pose, offsets):
    follower_targets = []
    for offset in offsets:
        theta = leader_pose[2]  # 领航机偏航角
        rot_matrix = np.array([[np.cos(theta), -np.sin(theta)],
                              [np.sin(theta), np.cos(theta)]])
        relative_pos = np.dot(rot_matrix, offset[:2])
        target_x = leader_pose[0] + relative_pos[0]
        target_y = leader_pose[1] + relative_pos[1]
        follower_targets.append([target_x, target_y, leader_pose[2] + offset[2]])
    return follower_targets

这代码有意思的地方在于用旋转矩阵处理编队方向变化。比如设置offset为[2,0,0]时，跟随机会始终保持在领航机右侧2米，就算领航机在空中转圈，跟随机位置也会跟着动态调整。

通信模块才是真坑王。实测用ROS话题通信延迟能到200ms，后来换成UDP直连才稳下来。看这段C++代码：

void sendFormationData(const DroneState& state) {
    uint8_t buffer[128];
    memcpy(buffer, &state.timestamp, sizeof(uint32_t));
    memcpy(buffer+4, &state.position.x, sizeof(double));
    //...其他数据打包
    sendto(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0, 
          (struct sockaddr*)&broadcastAddr, sizeof(broadcastAddr));
}

关键在数据打包时用内存直接拷贝，比序列化快3倍不止。但得注意结构体对齐问题，我们吃过这个亏——某次测试时无人机突然抽风，查了半天发现是x86和ARM架构的内存对齐方式不同导致的。

说到控制算法，PID参数整定能把人逼疯。后来整了个自适应PID，核心代码长这样：

function thrust = adaptivePID(error, dt)
    persistent integral prev_error;
    kp = 1.2 + 0.3*abs(error(3));  # 高度误差大时增强比例项
    ki = 0.05 * (1 - exp(-dt/0.2));
    integral = integral + error * dt;
    derivative = (error - prev_error) / dt;
    prev_error = error;
    thrust = kp*error + ki*integral + 0.8*derivative;
end

这骚操作在于动态调整kp和ki，实测悬停误差从±15cm降到了±5cm。不过要注意积分项得做限幅，不然首飞那天差点把无人机送上外太空。

最后给个忠告：仿真和实机完全两码事！在Gazebo里稳如老狗的算法，真机测试时被一阵妖风吹得妈都不认识。后来加了个风速观测器，代码里多了这么一段：

def wind_compensator(imu_data, current_thrust):
    estimated_wind = kalman_filter(imu_data.accel)
    comp_thrust = current_thrust + np.linalg.norm(estimated_wind)*0.78
    return np.clip(comp_thrust, 0, MAX_THRUST)

现在回头看这些代码，全是泪啊。但看着三架无人机在空中跳科目三的时候，感觉头发没白掉。搞编队控制就像养哈士奇，拆家时想炖了它，表演成功时又觉得真香。