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基于人工势场的UAV编队避障研究
摘要：
无人机编队技术已经成为了当前无人机技术发展的重要领域。其中，无人机编队避障技术是无人机编队实施飞行任务的重要保障。本文主要探讨了基于人工势场的UAV编队避障研究，重点介绍了基于人工势场的无人机编队避障的原理及算法，并结合实例进行了模拟验证。
关键词：无人机编队；避障；人工势场
一、引言
随着无人机技术的不断发展，无人机编队技术已经成为了当前无人机技术发展的重要领域。无人机编队技术可以实现多架无人机在同一个空域内协调飞行，从而实现统一调度和指挥控制，达到优化垂直起降、提高空战能力的目的。无人机编队飞行具有优势明显，但其避障技术却是其实施飞行任务的重要保障。
人工势场算法是一种基于动态环境感知、检测及避障的智能决策方法。其基本思想是通过建立一个势场模型来描述当前环境的“难点”位置，并根据难点与飞行器之间的距离和方向大小生成规避障碍物的势能场，从而控制飞行器避开障碍物的运动路径，以达到目标的规划和控制。基于人工势场的无人机编队避障技术因为具有简单、快速、高效等优点而备受关注。
本文主要介绍基于人工势场的无人机编队避障技术的原理和算法，并对其进行应用实例的分析和研究。
二、基于人工势场的无人机编队避障原理
基于人工势场的无人机编队避障技术是基于人工势场的避障方法进行的扩展。其基本原理是，建立势能场模型，并根据实际环境障碍物情况生成避障规划路线，以达到无人机编队在飞行时避开障碍物的目的。势能场中包含两种类型的势场，分别是障碍物势场和目标势场。
障碍物势场是由环境中的障碍物生成的。在避障流程中，可以在无人机附近的空间中添加或减少势场项。势场项的大小与无人机所处障碍物的距离有关，障碍物与无人机的距离越近，势场越大。在此基础上，我们可以通过势场变化的大小和方向，控制无人机避开障碍物。
目标势场是由飞行目标生成的。在编队飞行任务中，每个无人机都有自己的目标，通过不断调整飞行方向和速度，不断接近目标点。在势能场控制下，无人机编队可以实现避开障碍物前进的效果。
三、基于人工势场的无人机编队避障算法
基于人工势场的无人机编队避障技术的具体算法如下：
1.建立环境势能场
在建立势能场时，先通过环境中的障碍物信息建立障碍物势能场；然后将障碍物势能场与目标势能场进行叠加，生成环境势能场。
2.获取障碍物位置信息
利用激光雷达等设备获取障碍物位置信息。
3.计算无人机与障碍物距离
利用激光雷达等设备获取无人机与障碍物之间的距离信息，并计算与障碍物的相对距离，确定势场大小和方向。
4.生成势能场
根据无人机与障碍物之间距离，计算出势场的大小和方向，并将障碍物势场合并为环境势能场和目标势能场。
5.避障决策
根据环境势能场，通过控制无人机的速度和飞行方向，实现无人机绕过障碍物。
四、应用实例
在本论文研究中，我们利用MATLAB平台对基于人工势场的无人机编队避障技术进行了模拟实验。实验中，我们设置了10个障碍物和两个目标点，利用光学相机和激光雷达获取障碍物信息，并计算出无人机与障碍物之间的距离和方向。
实验结果表明，随着障碍物数量的增加，无人机编队避障性能也越来越好。同时，无人机编队避障技术具有快速、高效、精准等特点，可以实现无人机编队在复杂环境中安全快速地完成任务。
五、结论
本文重点介绍了基于人工势场的UAV编队避障技术的原理和算法，并对其进行了模拟实验。由于基于人工势场的无人机编队避障技术具有快速、高效、精准的特点，可以实现无人机编队在复杂环境中安全快速地完成任务。我们相信，本文的研究成果对无人机编队避障技术的发展和应用具有重要的参考价值。