13、多无人机协同路径跟踪与轨迹协调技术解析

多无人机协同路径跟踪与轨迹协调技术解析

1. 引言

近年来，无人机（UAV）在航空领域的应用日益广泛，为多智能体飞行系统的运行带来了新的挑战与机遇。无人机若能协调飞行轨迹，将带来诸多益处，如更高效地利用空域、提高能源效率以及更有效地完成任务。例如，飞机编队飞行时，通过特定位置布局可节省高达 18%的燃油。借助通信和路径协调，无人机能够更高效地规划彼此的路径，还能在拥挤空域中安全地靠近飞行。在搜索救援任务中，多架高空无人机可快速覆盖区域，再召唤低空无人机对发现的目标进行确认。

2. 背景知识

在系统中协调一组智能体有多种方法，常见的有虚拟领导者和集群两种。
- 虚拟领导者 ：采用领导者 - 追随者的协调方案，但用虚拟智能体替代实际领导者。此前，它常与人工势场法结合进行模拟。虚拟领导者的运动可预测，且不会与其他智能体发生物理碰撞。不过，由于领导者是虚拟的，需将环境对其行为的影响专门编程到模拟中。例如，编队逆风飞行时，可能需对虚拟领导者的飞行速度进行编程调整，以维持所引领无人机的最佳空速。
- 集群 ：由多个决策算法组成，这些算法可不同方式组合。核心算法包括：
- 凝聚 ：引导智能体向其他智能体靠近。
- 对齐 ：使智能体朝其他智能体的飞行方向飞行。
- 分离 ：当智能体距离过近时，引导其远离其他智能体。合理平衡这些算法，可使智能体表现得像鸟群或鱼群。

目前，许多多无人机系统由地面站主动控制，地面系统通过无线电链路引导飞机，可