航域约束下无人机集群协同飞行管控系统设计与实现

【摘要】：随着无人机行业的飞速发展,无人机数量大幅增加,应用范围也越来越广,这一现状对空域安全提出了挑战。近年来,无人机造成的飞行安全事件时有发生,在这些事件中,无人机入侵管控区域事件占绝大多数。目前对于无人机的管控方法仍停留在干扰、迫降、摧毁等强制手段上,智能化和精细化程度不足,不满足无人机日渐复杂的应用场景,不足以应对逐渐复杂的安全形势。管控方法的匮乏与低效也限制了无人机相关应用的发展。同时,无人机集群的大量应用对于无人机的飞行管控提出了更高的要求,针对无人机集群的飞行管控问题亟待解决。本文针对这一现状,首先分析了无人机的飞行管控需求,对飞行管控问题进行了具体化,将飞行管控问题分解为包括禁飞区约束和机间协同飞行约束的航域约束问题,再从航域约束下无人机的协同管控问题出发,设计了一套面向无人机集群的智能飞行管控系统,该系统主要包括硬件平台和软件算法两部分,其中硬件平台主要分为基于5G的远程自组织通信系统和飞行管控模块,通信系统主要解决航域约束信息的实时获取问题和无人机集群之间的通信问题,飞行管控模块则作为运行算法的载体,兼具无人机的辅助控制功能。在硬件平台的基础上,本文进行了飞行管控软件算法的研究,提出了半接管式电子围栏这一概念,并依据这一概念进行了相关算法的研究。该算法在飞行管控过程中能够智能判断无人机的威胁程度,并且能够接收无人机的操作指令,对于有威胁的操作指令加以限制,同时引导无人机远离航域管控范围,对其他指令则不加以干预,当无人机对管控区域没有威胁时,该系统不会对无人机的飞行路径、操作指令等加以任何干涉,实现无人机的智能飞行管控。在单无人机的飞行管控基础上,针对协同飞行的无人机集群的飞行管理与控制问题,结合半接管式电子围栏相关算法,对无人机集群在航域约束下的飞行问题进行了研究,提出了航域约束下的无人机集群安全飞行管控方法。最后,本研究自行设计并搭建了一款四旋翼无人机平台,基于ROS2等软件平台编写相关算法程序,并将代码移植到无人机平台上,分别进行了单无人机半接管式控制实验、无人机集群协同飞行管控实验和复杂环境下无人机集群管控实验,对算法的有效性进行了验证。