基于虚拟弹簧的hp自适应伪谱法在无人机编队航迹规划中的应用

摘要

【目的】随着无人机在电力巡检、应急救援等复杂场景中应用需求的不断提升，单架无人机在任务执行时的局限性日益突出。多无人机编队能够有效提升巡检效率、扩大作业覆盖范围，但在实际应用过程中，编队队形保持、航迹协同优化及对复杂环境的适应能力仍面临诸多挑战。针对无人机集群在平面大机动飞行过程中的队形保持与路径优化难题，提出了一种结合虚拟弹簧力和hp自适应伪谱法的最优控制方法，旨在提升无人机编队协同飞行的稳定性、灵活性及抗干扰能力，为电力巡检等无人机高要求场景提供技术支撑。【方法】建立多无人机系统的动力学模型，并将虚拟弹簧机制引入编队控制体系，实现机间柔性约束和弹性自调节。通过将虚拟弹簧法与传统领航跟随法结合，设计了一种可兼顾队形刚性支撑与自适应调整能力的编队策略。在此基础上，采用hp自适应伪谱法对无人机编队的最优控制问题进行求解。该方法通过在Legendre-Gauss节点上离散状态量与控制量，构造全局插值多项式，将无人机编队路径优化问题转化为非线性规划问题，并结合动力学、能耗、速度等约束条件进行高精度数值求解。仿真实验中，设定了典型的四机菱形编队场景，全面考察了算法在不同地形、风扰和任务需求下的适应性。【结果】仿真结果显示，基于虚拟弹簧的hp自适应伪谱法能够有效实现无人机编队的平滑转弯和速度控制。在编队90°大机动转弯过程中，无人机不仅能够满足航迹偏转、速度变化等多重约束，还能保持良好的编队队形。与传统领航跟随法和人工势场法相比，本文方法在位置误差、队形保持、抗风扰能力等方面均表现出显著优势。在10 m/s强风干扰情形下，本文方法队形稳定性可达70%以上，显著优于其他对比算法。三维地形仿真和实际飞行测试进一步验证了算法的适应性和鲁棒性，方法在丘陵、山区、峡谷等多种地形下，依然能够维持较低的队形变形率和较小的航迹跟踪误差，能耗控制合理，具备较强的工程实用性。【结论】本文创新性地将虚拟弹簧弹性约束机制与hp自适应伪谱法深度融合，提出一种适用于复杂环境下多无人机编队航迹规划的最优控制技术。该方法不仅突破了传统编队的刚性约束，实现了队形的柔性保持和自适应调整，还显著提升了编队航迹优化的精度与效率。研究结果为无人机集群在电力巡检、应急救援等高难度任务中的协同编队飞行提供高效、可靠的技术路径。后续研究可进一步拓展该方法在多编队协同、复杂障碍环境下的应用潜力，推动无人机编队的智能化、实用化发展。

关键词

无人机 / 集群编队 / 航迹规划 / 虚拟势场 / 领航跟随法 / 最优控制方法 / 伪谱法 / 协同控制