技術分享 | 淺談——四種集羣分佈式控制算法

衆所周知，無人機已經應用於各大領域，包括邊防檢查、森林防火、電力巡檢、新聞採集以及商業宣傳等方面。 可是，隨着無人機用途的不斷增長，相應對於無人機各方面也有了更高的要求，對於多無人機的的協同控制方面也不斷涌現出多種控制方法，單從無人機的通訊方式進行分類，能夠分爲集中式控制和分佈式控制，下面就無人機的分佈式控制作一個簡單的描述，以及對無人機分佈式控制方法作簡單的總結，方便你們學習和理解。

首先拿集中式控制來講，有控制中心，控制效率較高，但核心無人機被擊落後，系統就會陷入奔潰，沒法繼續執行任務。 而分佈式控制沒有系統控制的中心點，經過相鄰個體之間的相互協調完成信息互換，最終完成總體的編隊行爲，因爲沒有控制中心，分佈式控制系統又具備較高的靈活性，能夠動態的改變控制網絡的結構。因此對比集中式控制後，採用分佈式控制策略使得集羣系統具備可擴展性、魯棒性、適應性等優勢。在分佈式控制中，無人機編隊系統中的個體只須要和領域的無人機進行通訊，通訊數據和通訊鏈路較少，控制方法極爲方便，可以進行無人機編隊系統中的無人機的刪減和增長，實時調整編隊工做狀態。 圖 1 無人機控制系統模型 圖 2 分佈式結構 如圖所示UAV1做爲無人機指揮員，在無人機編隊中起着指揮和控制的做用，引導整個團隊按照預約軌跡飛行，進而達到預期的目標位置，其與地面控制中心實時通訊。UAV二、UAV3 做爲跟隨機與地面站保持聯繫，不斷的接受無人指揮中心的指揮，且2，3之間進行實時通訊，達到分佈式控制的目的。

瞭解無人機分佈式控制以後，一塊兒來了解下基於分佈式控制的幾種控制方法吧！

（1）基於長機-僚機的分佈式編隊控制方法 長機-僚機法的基本思想是：leader-follower機制，在多無人機組成的羣體中，某架無人機做爲整個編隊的領導者，並做爲第一優先級，向第二優先級（第二階梯僚機）傳送信息，以此類推，各僚機分別向比本身低一級的僚機傳送信息，完成無人機間的信息通信，達到隊形控制的目的。但這種控制方法魯棒性較差，沒有精確的隊形反饋，一旦長機出現問題，系統信息傳送不到位，那麼整個系統就會處於癱瘓狀態。爲了解決這種控制方式產生的弊端，提出leader-candidate-follower機制，經過從candidate中選舉產生下一任長機，故此來彌補魯棒性差這一問題，從而實現編隊的穩定飛行。（Raft算法實現） 圖 3 長機-僚機圖解

（2）基於行爲的分佈式編隊控制 基於行爲法的分佈式控制思想是根據對無人機系統實施控制做用後所指望產生的總體行爲模式，事先對每一個無人機的個體行爲規則和局部控制方案進行設計，這是一種先果後因的運動控制方法。一般每一個無人機的行爲模式相似於「庫函數」同樣存儲於編隊控制器中，在系統運行時，根據環境信息和控制指令的變化執行相應的行爲方式，如避障、隊形組成、隊形切換、方向運動等。例如，在進行避障時，編隊無人機在移動過程當中要避免與障礙物和其餘相鄰飛機的碰撞，那麼，當無人機經過傳感器系統感知外界環境變換時，整個系統就會根據系統輸入，選取行爲模式，達到指望的行爲，進而做出系統響應並輸出。與領航跟隨者不一樣之處在於，該方法中的協做做用是經過無人機之間的位置、狀態輸入值等信息的共享來實現的。每架無人機只需知道相鄰無人機的信息就能夠，減小了信息的獲取，同時減小了計算量，系統實現較爲簡單。缺點在於很難描述羣體的動態特性，難以進行精確控制，隊形保持的穩定性不易控制。

（3）基於人工勢場的分佈式編隊控制法 人工勢場法基於無人機間的相互做用力，即引力場與斥力場，環境中的障礙物對無人機產生排斥力，而目標點對無人機產生吸引力，在協力的做用下，使得無人機沿最小化勢能方向運動。 圖 4 人工勢場法圖解

（4）基於虛擬結構的分佈式編隊控制方法 將無人機的編隊看做一種剛性的虛擬結構。每個無人機能夠看做在這個虛擬結構中一個固定的點。編隊中的無人機個體直接跟蹤保持虛擬結構上的固定座標點就能夠完成設定好的編隊飛行巡檢路線。以虛擬結構爲框架，在編隊控制算法中加入隊形反饋，鄰近的分散編隊控制器之間進行通信和信息傳輸，使得編隊控制器既能控制編隊的速度，又能很好的保持隊形。 以上就是對分佈式控制的介紹和相關控制方法原理的闡述，但願對相關學習者能有必定的幫助。

做者：阿木實驗室：木十

• End -

技術發展的突飛猛進，阿木實驗室將緊跟技術的腳步，不斷把機器人行業最新的技術和硬件推薦給你們。看到通過咱們培訓的學員在技術上日新月異，是咱們培訓最大的價值。若是你在機器人行業，就請關注咱們的公衆號，咱們將持續發佈機器人行業最有價值的信息和技術。 阿木實驗室致力於前沿IT科技的教育和智能裝備，讓機器人研發更高效！