多无人机拦截的分布式制导
2018-12-21

旋翼无人机已经在各个领域得到广泛应用,然而,也有许多身份不明的无人机禁飞区。设计有效拦截入侵无人机的策略和设备是当下存在的。使用武器(导弹或激光设备)摧毁入侵的无人机是一种可能的解决方案,但这可能会造成噪声、空气污染,甚至直接的人员伤亡。另一种方案是使用受控无人机拦截入侵的无人机,该方案对环境可能造成的副作用较小,而且有可能带回入侵无人机做进一步研究。无人机拦截的一个关键问题是设计制导律。区别于导弹制导,旋翼无人机制导可不考虑其非完整约束,旋翼无人机能够实现全自由度飞行。控制理论与技术可以被用来改进制导律的性能。

当存在多架入侵无人机时,单个受控无人机无法完成拦截任务。一种直接的应对策略是使用多架受控无人机合作拦截入侵无人机,这意味着需要设计多无人机合作制导律。然而,当前现有的多无人机合作制导律的研究中,其情形通常是使用多个无人机合作拦截单个固定目标;拦截多目标的分布式制导律的相关研究成果还十分有限。避免碰撞和错误拦截多无人机合作制导必须考虑的问题。这里,“碰撞避免指受控无人机不应彼此相互碰撞;错误拦截避免”意为对每个受控无人机只分配一个拦截目标,受控无人机不允许拦截分配给其他无人机的目标。研究中,需要证明在有限时间内各受控无人机能够以非零相对速度完成拦截,这是多无人机制导必须考虑的另一个问题。

研究中,我们提出了一种新的分布式制导律,用于多无人机系统拦截多目标。我们严格地证明了,在所提出的多无人机分布式制导律的作用下,多无人机系统可在有限时间内以非零相对速度拦截多个入侵目标。制导律中考虑了避免碰撞和错误拦截,其策略是基于方向的,而目前大部分避免碰撞方案都基于位置或距离。基于方向的避免碰撞和错误拦截的策略保证拦截机能够在可能发生碰撞或错误拦截的时刻之前就预先执行规避动作。

 

如图1所示,本实验的无人机平台是基于用户定制的四旋翼无人机,其旋翼电机间距为45厘米,总重1.7千克实验中使用一个运行自定义固件的3DR Pixhawk飞行控制单元来进行姿态和高度控制;在应用机器人操作系统(ROS)的机载Beaglebone Black计算机上实现本文提出的分布式制导律受控无人机通过一对XBee 2.4 GHz模块接收目标的位置和速度,以此仿真雷达系统。受控无人机自身的位置和速度可通过IMU和GPS数据实时估计。位置估计会受到测量误差和时间延迟的影响。

研究中,用一个二维半实物实验验证了提出的理论结果。该实验使用了两个受控无人机拦截两个入侵目标,如图2所第一对目标和拦截是真实的;第二对目标和拦截使用计算机虚拟的。拦截1能够在有限时间内非零相对速度拦截目标。为解释拦截2的行为,这里轨迹分段定义:1-2中,拦截2试图避免与拦截1的碰撞,因为此时它们彼此十分接近。2-3中,拦截2试图避目标1,因为目标1恰好出现在其视线上3-4段中,由于不存在可能的碰撞,拦截2能捕获目标2。

 

本项目受到中国国家自然科学基金支持,本文描述的理论和实验结果是该项目的初步结果。这里的理论和实验成果将扩展到多无人机多目标拦截的进一步研究中。近期进一步研究内容还包括:1)基于时间效率和能量效率动态任务分配2)存在不确定或随机机动目标拦截的分布式制导

诸兵,自动化科学与电气工程学院,第七研究室,副教授,卓越百人,E-mail: zhubing@buaa.edu.cn

参考文献

B. Zhu*, A.H.B. Zaini, and L. Xie “Distributed Guidance for Interception by Using Multiple Rotary-Wing Unmanned Aerial Vehicles”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 64, No. 7, 5648-5656, 2017.