无人机编队综合实验与分析综合飞行实验

无人机编队综合实验与分析综合飞行实验

1.1.1编队通信测试

通信链路是无人机编队系统的极其重要的一环,直接影响到编队飞行的稳定性和精确性,

因此在编队起飞前需要对编队通信链路进行测试，根据2.3.3节设计的编队通信网络，本节

的通信测试分为两部分：一是机间Mesh网络通信测试；二是各无人机与地面站之间的PMP

模式通信测试。

Mesh通信网络测试的方法为:将所有无人机设备上电,对飞控模块进行串口打印测试，

打印的数据显示在Ubuntul6.04的终端窗口中。本文试飞的无人机数量为3架，以2号机为

例进行分析。机间通信主要为了获取邻居节点携带的信息，解包后可以获取到每个邻居节点

的姿态、速度、位置、长机标志位等数据。图5.14给出了2号机接收信息的解包数据，从

测试结果可以看出机间Mesh网络通信畅通稳定。

Eengxu@zengxu-X542UN:-/paper_test$./a.out

无人机ID：2

郃居节点个数：2

通信质量：2。。%

邻居节点1数据：

无人机ID：1

长机标志位：1

滚转俯仰偏航：-1.232.16136.45

北东拽速度VNVEVD：0.02-0.130.05

经纬高：119.42164231.563994-1.63

邻居节点2数据：

无人机ID：3

长机标志位：。

滚转俯仰偏航：2.46-1.63179.60

北东拽速度VNVEVD：O.0O0.04-0.12

经纬高：119.42164331.5639958.71

图5.142号机接收数据串口打印

PMP模式测试方法为：通过P900数传将每架飞机连入地面站，地面站根据上行和下行

数据的统计结果以及Mavlink数据包序号和发送频率计算得到如图5.15所示的链接统计。

在地面站切换不同的无人机ID可以看到每一架连入无人机的链接统计。图5.15为2号机连

入地面站的链接统计，从测试结果来看，2号机的上行链路和下行链路均工作正常。其他两

架飞机的测试结果也显示工作正常，在此不作过多介绍。

下载------------------------------「上传------------------

字节*55.52K字节人2.16K字节总数5.73K

数据包13998数据包/s66字节/$21

芸包质里100%

QMavlinJc2

数据包之间的最大时同Gs)447

■Signing

图5.15链接统计

1.1.2编队集结与队形保持实验

本文编队集结和队形保持的实验流程为先依次自动起飞所有无人机，待所有无人机到达

安全高度后，地面站发送开始编队指令，此时各无人机会先集结,集结完成后保持队形飞行。

实验的主要参数如表5.3。

表5.3主要实验参数

参数名称参数大小

无人机数量3

无人机飞行高度200m

编队队形三角形

队形间距100m

实验场地风速3m/s

长机巡航速度22m/s

长机编号1

最大速度限制30m/s

图5.16编队集结阶段三机位置分布图，图中飞机图标上第一格代表无人机高度，第二

格代表无人机速度，第三格id代表无人机的编号，1号机为长机。图5.17为三角形编队飞

行保持阶段的位置分布图。图5.18为编队队形保持飞行时从地面拍摄的飞行图。

图5.16编队集结阶段飞行图

图5.17编队队形保持阶段飞行图

图5.18地面拍摄三机编队实际飞行图

图5.19为三机在编队集结与队形保持阶段的速度曲线，横坐标为地面站日志采样时间

点，采样间隔为0.2秒，纵坐标为各无人机的地速。从图中可以看出大概在500个采样点后，

各无人机达到巡航速度。在500~%时间段，编队正在集结，此时长机速度保持不变，2号僚

机和3号僚机以最大的限制速度30m/s去追踪期望点，2号机先达到，随后3号机也到达,

三机在片时刻集结完成，6~3000时间段为队形保持阶段，1500~2000时间段僚机速度变化

是由于编队此刻正在转弯引起的，从图中可以看出在队形保持阶段，稳定后的僚机速度误差

在2.5m/s之内。

35

25

20

15

10

采样时间/0.2s

图5.19三机速度曲线

图5.20为各无人机高度曲线，在1500采样点时刻左右所有无人机基本集结完成，之后

的时间段属于编队队形保持阶段，将32004000采样段的图形放大，可以看出在编队稳定飞

行阶段三机的高度误差控制在1.5米以内。

250

10001500250030003500400045005000

采样时间/0.2s

图5.20三机飞行高度曲线

1.1.3编队队形变换实验

图5.21为长机自动飞行航线，由于受空域限制，该航线的短边为1.3km,长边为3.5km。

预计的队形变换区域如图。

图5.21长机航线图

本次队形变换实验涉及的队形有三种，分别是三角形、竖一字和横一字。具体测试方法

为：在编队保持三角形队形飞行阶段地面站发送队形变换命令，编队队形由三角形变换为竖

一字形状，当所有无人机到达期望队形对应的位置，认为队形变换完成，此时保持竖一字队

形飞行一段时间，地面站再次发送队形变换命令，编队队形将由竖一字形状转换为横一字队

形，随后继续保持横一字队形飞行一段时间。图5.22和图5.23为实际试飞的横一字队形和

竖一字队形。

图5.22地面拍摄横一字队形

4

■<

图5.23地面拍摄竖一字队形

图5.24和图5.25分别为队形变换阶段各无人机的北向位置曲线和东向位置曲线，各机

的北向位置和东向位置均相对于其解锁位置而言。

-1200

1号机北向位置

-1250—2号机北向位置

3号机北向位置

S0006S007000

采样时间/0.2s

图5.24各无人机北向位置

图5.25各无人机东向位置

各无人机在队形变换区域由东向西飞行，从图5.24中可知，在5000-5600采样时间段，

三机保持三角形编队飞行，随后收到地面站队形变换指令，三机变换成竖一字，三机在一条

直线上，北向位置基本重叠，在6300~6800采样点时间段内，三机保持竖一字形飞行，随后

接收到地面站变换横一字队形命令，此后一段时间保持横一字飞行。从图中可以看出队形变

换最后都收敛于期望队形，收敛时间和飞行速度以及不同队形的对应关系有关，总体符合预

期实验要求。

1.1.4编队机间避障实验

本实验决定在竖一字飞行阶段测试机间避障，首先设定竖一字队形，各无人机以长机为

基点的相对了、＞、z轴坐标为：1号机(0,0,0),2号机(0,-100,0),3号机(0,-200,0)。在编队保

持竖一字队形飞行的阶段，地面站将3号机的相对坐标设置为(0,100,0)。此时3号机必须经

过2号机和1号机才能到达目标点。机间避障利用第四章介绍的在线动态避障算法，在水平

面和垂直面执行三维避障。图5.26为机间避障前三机飞行位置图，图5.27为正在机间避障

时三机飞行位置图，图5.28为避障结束后三机飞行位置图。

图5.26避障前三机飞行位置图

图5.27避障中三机飞行位置图

图5.28避障后三机飞行位置图

图5.29为机间避障阶段的三机高度变换曲线，图5.30为机间避障阶段的三机轨迹图,

横坐标为东向位置，纵坐标为北向位置。结合两图曲线可知，在机间避障过程中，长机还是

保持原模式飞行，2号僚机和3号僚机执行了避障动作。2号僚机与3号僚机在水平面和垂

向均进行了避让，三机未发生碰撞，实验很顺利，符合预期的避障要求。

225

161.051.71.75181.85

采样时间/0.2skW，