印度理工学院开发无需GPS的无人机群自主控制方案

快速阅读: 印度理工学院开发新控制方案，使VTOL无人机无需GPS或中央控制即可编队飞行，通过机载摄像头获取方位角信息维持编队，适用于狭小空间操作及秘密军事任务。

印度理工学院（IIT）孟买分校的Dwaipayan Mukherjee教授和研究学者Chinmay Garanayak开发了一种新的控制方案，使无人驾驶飞行器（UAV）能够在没有依赖GPS、无人机间通信或集中控制系统的情况下，以协调的编队飞行。该方法通过机载摄像头获取的仅方位角测量来确定相对位置并维持编队。

研究人员将此方案应用于垂直起降（VTOL）无人机上，这种无人机无需跑道即可起飞，并能在空中悬停。这些无人机适用于狭小空间的操作，如监控和巡逻。“群体自主是一项关键任务，”Mukherjee先生说，“这意味着编队中的无人机应该能够根据其机载传感器测量的变量来决定自己的‘行动’，而不是依赖于提供给它们的全局信息或由人类/中央计算机决定其行动。这就是我们的方法与其他常规方法的不同之处。”他补充道。

所提出的“仅方位角”控制方案允许每架无人机使用其机载摄像头观察附近的同伴，并计算方位角信息。“在仅方位角控制中，目标是仅使用无人机间的方位角测量来实现编队控制，”Garanayak先生说。该系统不需要GPS或与其他无人机或中央计算机的通信。

基于摄像头的测量比传统距离传感器更少受到噪声的影响，简化了无人机的传感器系统，减少了电池需求和总体重量。该方案设计用于在GPS不可用或通信可能被干扰的区域操作，适用于隐蔽模式下的任务，例如秘密军事行动。

VTOL无人机是欠驱动系统，意味着它们有六个自由度但可直接控制的动作较少。虽然它们可以垂直移动和绕三个轴旋转，但横向和前后移动需要间接控制。“文献中的许多成果并未解决VTOL车辆的欠驱动动力学问题，而只关注运动模型。这促使我们考虑VTOL无人机的完全欠驱动模型，并探索其在编队控制中的适用性，”Mukherjee先生说。

欠驱动系统需要包括位置、方向、速度、力、扭矩和惯性的动态模型。以往尝试将仅方位角控制应用于此类模型时，往往因不稳定或在某些条件下失效而失败。Mukherjee先生和Garanayak先生开发了一种控制机制，确保即使无人机从不完美的位置开始，也能收敛并维持所需的编队。他们提供了严格的数学证明，支持系统的可靠性。

他们的工作涵盖了两种操作场景。第一种情况下，无人机利用方位角和方位角变化率数据以恒定速度维持编队。第二种情况下，当编队和速度随时间变化时，无人机除了使用方位角数据外，还结合自身的速度测量。该系统能处理任意的时间变化配置，使无人机能够穿越狭窄通道、重新配置为单列编队，并适应不断变化的任务需求。

研究人员计划通过实验测试控制方案，使用无人机群进行试验。未来的研究路线图包括解决具有理论保证的碰撞规避问题。“大多数现有的算法依赖于临时的碰撞规避方案，这些方案没有任何理论保障。环境中的物体和无人机之间的碰撞规避是我们试图在理论上解决的一个挑战，”Mukherjee先生说。

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