·1604 工程科学学报，第41卷，第12期 同的无人机，也适应于不同的集群组织形式.鸿雁 比例系数，表示俯仰控制力矩比例系数.有 群以编队形式自组织集群，它需要较远的飞行距 uy=kp (Pieader de-p)+kv:Vleader 离，适用于固定翼无人机.本文以固定翼无人机特 4v=lul·cos8 (5) 性建模，将鸿雁编队机制映射到无人机集群控制 uy =lluvll.sin 上.本文结合鸿雁飞行特征，建立固定翼无人机运 其中，p表示本机位置，Vicader、Picader表示领导者速 动学与动力学模型，并利用旋翼无人机进行鸿雁 度与位置，d表示本机与领导者的固定几何距离矢 群编队自组织机制的验证，今后的工作将进一步 量，由鸿雁群机制决定，0表示向量u与本机速度 利用固定翼进行试飞验证 的夹角，kp、k分别表示位置控制与速度控制比例 3.1动力学模型 系数，川表示求矢量的模.一般情况下无人机在 鸿雁群在迁徙途中为了尽最大努力节省体 高度上保持不变.当两架无人机之间的距离小于规 力，一般会保持翅膀展开不动，只有在改变和维持 定的避障距离后，将“，置零以防止无人机发生碰撞 队形时扑翼以微调速度.因此无人机在集群编队 根据运动学与动力学模型，无人机在不发生 过程中一般保持速度大小恒定.建立无人机平台 碰撞的情况下，会跟随在其领导者的后方，并与领 运动学与动力学模型如下： 导者保持速度一致.拥有领导者的个体不需要知 [y=-Ayv2+Auuy 道整个编队的运动方向和速度，它只要保持与其 市=-入ww+ww (3) 领导者相同的速度以及固定的相对位置.当与领 =-1g0+Auoue 导者相距较远时，其控制力主要为了保持相对位 p=(v.cos v.sin山) 置，当其逐渐到达期望位置，其控制力主要为了保 (4) h=0.v 持速度一致. 其中，表示无人机速度大小，山、分别表示无人机 3.2总体架构 的偏航角和俯仰角，p表示无人机位置矢量，h表示 鸿雁编队机制的无人机集群验证系统在硬件 无人机垂直位移.而其中u,、w、阳分别表示各状 层面主要由5架四旋翼无人机和地面站组成.每 态量的控制输入，表示对速度的阻力系数，w表 架四旋翼无人机的硬件架构由任务机、飞控板、 示偏航阻力力矩系数，表示俯仰阻力力矩系数， 通信组网模块和其他伺服执行部件组成.无人机 入m,表示推力控制比例系数，入表示偏航控制力矩 软件架构可分为执行层和决策层，如图6所示27 执行层 决策层 地面站 PX4 任务机 WIFI 无人机1 Xbee 浅 PX4 任务机 WiFi 无人机2！ :地面站， 哭 任务机 PX4 WiFi 无人机n 7 F----7-----7---77 图6无人机集群总体架构 Fig.6 Architecture of UAV formation 被公认为是军事和民用中某些场合的较理想飞行 4外场飞行验证 器.为验证所研究的鸿雁集群编队行为机制，本文 本文以四旋翼无人机作为鸿雁编队行为机制 开发了多架四旋翼无人机作为飞行验证平台 的飞行验证平台，四旋翼无人机具有结构简单、成 4.1外场飞行试验设计 本低廉和低速巡航垂直起降等特殊的飞行性能， 试验采用5架四旋翼无人机，按照鸿雁编队机同的无人机，也适应于不同的集群组织形式. 鸿雁 群以编队形式自组织集群，它需要较远的飞行距 离，适用于固定翼无人机. 本文以固定翼无人机特 性建模，将鸿雁编队机制映射到无人机集群控制 上. 本文结合鸿雁飞行特征，建立固定翼无人机运 动学与动力学模型，并利用旋翼无人机进行鸿雁 群编队自组织机制的验证. 今后的工作将进一步 利用固定翼进行试飞验证. 3.1    动力学模型 鸿雁群在迁徙途中为了尽最大努力节省体 力，一般会保持翅膀展开不动，只有在改变和维持 队形时扑翼以微调速度. 因此无人机在集群编队 过程中一般保持速度大小恒定. 建立无人机平台 运动学与动力学模型如下：    v˙ = −λvv 2 +λuvuv ψ¨ = −λψψ˙ +λuψ uψ θ¨ = −λθθ˙ +λuθ uθ （3） { p˙ = ( v · cosψ v ·sinψ ) h˙ = θ · v （4） v ψ θ p˙ h uv uψ uθ λv λψ λθ λuv λuψ 其中， 表示无人机速度大小， 、 分别表示无人机 的偏航角和俯仰角， 表示无人机位置矢量， 表示 无人机垂直位移. 而其中 、 、 分别表示各状 态量的控制输入， 表示对速度的阻力系数， 表 示偏航阻力力矩系数， 表示俯仰阻力力矩系数， 表示推力控制比例系数， 表示偏航控制力矩 比例系数， λuθ表示俯仰控制力矩比例系数. 有    uv = kp (pleader + de − p)+kv · vleader uv = ∥uv∥· cosϑ uψ = ∥uv∥·sinϑ （5） p vleader pleader de ϑ uv v kp kv ∥•∥ uv 其中， 表示本机位置， 、 表示领导者速 度与位置， 表示本机与领导者的固定几何距离矢 量，由鸿雁群机制决定， 表示向量 与本机速度 的夹角， 、 分别表示位置控制与速度控制比例 系数， 表示求矢量的模. 一般情况下无人机在 高度上保持不变. 当两架无人机之间的距离小于规 定的避障距离后，将 置零以防止无人机发生碰撞. 根据运动学与动力学模型，无人机在不发生 碰撞的情况下，会跟随在其领导者的后方，并与领 导者保持速度一致. 拥有领导者的个体不需要知 道整个编队的运动方向和速度，它只要保持与其 领导者相同的速度以及固定的相对位置. 当与领 导者相距较远时，其控制力主要为了保持相对位 置，当其逐渐到达期望位置，其控制力主要为了保 持速度一致. 3.2    总体架构 鸿雁编队机制的无人机集群验证系统在硬件 层面主要由 5 架四旋翼无人机和地面站组成. 每 架四旋翼无人机的硬件架构由任务机、飞控板、 通信组网模块和其他伺服执行部件组成. 无人机 软件架构可分为执行层和决策层，如图 6 所示[27] . 4    外场飞行验证 本文以四旋翼无人机作为鸿雁编队行为机制 的飞行验证平台，四旋翼无人机具有结构简单、成 本低廉和低速巡航垂直起降等特殊的飞行性能， 被公认为是军事和民用中某些场合的较理想飞行 器. 为验证所研究的鸿雁集群编队行为机制，本文 开发了多架四旋翼无人机作为飞行验证平台. 4.1    外场飞行试验设计 试验采用 5 架四旋翼无人机，按照鸿雁编队机 地面站 执行层 PX4 任务机 WiFi 任务机 WiFi 任务机 无人机n 无人机2 无人机1 WiFi Xbee Xbee PX4 Xbee PX4 Xbee 决策层 地面站 图 6    无人机集群总体架构 Fig.6    Architecture of UAV formation · 1604 · 工程科学学报，第 41 卷，第 12 期