多无人机以及人-多机协调合作方法研究与验证

Constrained by the issues such as low-price, small-size, and simple- structure, individual UAV usually suffers from short navigation distance, small payload carrying capability, and poor reliability, which are the key problems that limit its applications in wide-range area. In this project we proposed to overcome the above-mentioned limitations by the “loose cooperation” and “tight collaboration” of UAVs, as well as the human-UAVs interaction. This project focuses on the following four fundamental researches: “active modeling for the execution capability of single UAV”, “optimal behavior planning and control for the loose cooperation of multiple UAVs”, “control for the tight collaboration of multiple UAVs”, and “human-in-the- loop intervention and integration into multiple UAVs”. This project will establish general methodology for the cooperation and collaboration of multiple UAVs, and also develop testbeds to verify the performance of the proposed techniques by experiments. The developed prototypes will be further demonstrated with respect to the application scenarios of earthquake rescue such as wide-range monitoring and heavy payload collaborative-carrying.

单体无人机受低成本、小型化、结构简单等因素制约，具有续航距离短、载荷能力小、可靠性差等弱点，这是制约其在大范围、大载荷方面应用的瓶颈问题。本项目提出通过多机“松协调”、“紧协调”两种模式克服单机的上述问题，同时探索人-多机的融合机制以实现多无人机的高效率互助协作。项目拟针对“单体无人机行为能力/健康状态在线建模”、“适应单体能力的多无人机松协调优化控制”、“多无人机紧协调优化控制”、以及“面向复杂行为环境的人-多无人机融合”等四方面基础科学问题，开展具有原创性的理论方法与技术研究，初步构建多无人机协调合作共性方法体系；研制实验平台系统，全面验证理论方法与技术的可行性和有效性；面向地震应急救援中的典型使命，开展功能演示与应用示范。本项目研究将为新一代多无人机系统提供理论指导和关键技术支撑，为后续实用系统及装备研制奠定基础；作为一种共性方法，对其它领域多无人系统也具有指导意义。

单体无人机由于受到承载能力、可靠性以及续航时间等方面的制约，在面向地震、水灾、森林火灾等重大自然灾害救援任务时，无法保证救援任务的快速响应，难以到达预期救援效果。采用多无人机合作的方式能够通过取长补短、动态调配、互助合作实现团队能力的优化。为此，本项目针对多无人机合作系统的核心问题包括无人机单体行为能力分析、多无人机松协调优化控制、多无人机紧协调控制、人-多机协同控制、平台搭建与验证等方面开展研究，取得的研究成果如下：1)针对单体无人机行为能力动态时变的问题，提出基于主动建模的无人机行为能力评估方法，并基于建立的模型设计对应的模型误差补偿控制方案。2)针对多无人机区域完整覆盖问题，提出了一种基于能量均匀消耗优化/持久性策略的多无人机松协调区域覆盖框架，形成了一种分层协作的多约束下多机松协调轨迹优化算法。3)针对多无人机紧协调优化控制问题，提出了一种基于两步优化框架的拉力重分配方法，能够对飞行器所承担的任务载荷进行实时调整。4)在人-多机协作方面，针对高海拔环境特点和站外、冰川综合科考任务需求，突破了空地感知信息融合和人-多无人设备异构协同控制技术，研制出能适应高海拔冰川区域科考任务的人-多机器人系统。5)在平台搭建与验证方面，在藏东南高山环境综合观测研究站、纳木错多圈层综合观测研究站以及雅鲁藏布江大峡谷成功开展了多无人机协同吊运、水体采样、江堤自主勘察、冰川勘察等应用示范。