摘要
针对单无人机作战半径有限、任务完成率低、任务载荷小、无法支持长时间执行
任务以及功能单一等问题，基于无人机密集编队来提高无人机的任务执行效率，拓宽
单个无人机的任务范围以及通过内部合作缩短编队任务执行时间，是一种可行方案。
无人机密集编队已经被广泛应用到军事领域和民用领域，如采用编队执行环境检测、
任务侦察等。但由于编队规模大，采用传统方法进行编队避障和队形保持时，无人机
不能及时避开障碍物，以及在完成避障时无人机之间可能会发生碰撞，导致编队损坏，
不能保持编队队形。为此本文设计了基于人工势场和基于蚁群的编队避障方法，并采
用一致性控制来实现编队队形保持。主要研究工作包括以下两点:
（1）针对人工势场法存在初期引力过大、目标不可达、局部极小值点等问题，提
出了一种基于改进人工势场的无人机编队避障和队形保持方法。首先将引力增益系数
引到引力势场函数中，来解决初期引力过大问题；并将无人机与目标点的距离引入到
斥力势场函数中，解决目标不可达问题；最后通过施加一个牵引力，来使无人机跳出
局部极小值状态。构建无人机机间斥力势场，避免编队内部发生碰撞。设计了编队一
致性控制模型，将改进的人工势场法和一致性控制方法结合，编队在实现避障同时保
持一定的编队队形。通过对不同数量的无人机编队进行实验，实验结果表明,改进后
的人工势场可使编队到达目标点，以及提高无人机密集编队避障效率，避障完成后编
队能快速恢复队形。
（2）针对无人机密集编队的避障中经典蚁群算法存在收敛速度慢和容易陷入局
部最优等问题，提出一种改进蚁群算法的无人机编队避障和队形保持方法。首先采用
Cubic映射使蚁群的初始分布随机化，防止蚁群算法陷入局部最优；同时采用奖惩机
制来更新信息素的浓度，加速算法的收敛过程；并采用自适应信息素挥发因子防止算
法陷入局部最优，增强算法的鲁棒性；最后将改进的人工势场法与蚁群算法结合来优
化路径。将改进蚁群算法和编队一致性控制应用于无人机密集编队避障和队形保持。
仿真结果表明，改进蚁群算法能有效实现编队避障和队形保持。
本文设计的两种密集编队避障保持算法既能避开障碍物，又能保持紧密的编队队
形，到达目标点，具有一定实用价值。
关键词：密集编队；人工势场；一致性；蚁群算法；避障
I
II
ABSTRACT
Aimingattheproblemsoflimitedcombatradius,lowmissioncompletionrate,small
missionload,inabilitytosupportlongtimemissionexecution,andsinglefunctionofsingle
unmannedaerialvehicle,itisafeasiblesolutiontoimprovethemissionexecutionefficiency
ofunmannedaerialvehiclesbasedonthedenseformationofunmannedaerialvehicles,
broadenthemissionrangeofsingleunmannedaerialvehicleaswellasshortenthemission
executiontimeoftheformationthroughinternalcooperation.Unmannedaerialvehiclehas
beenwidelyappliedinthemilitaryandcivilianfields.Forexample,formationisusedto
performenvironmentaldetectionandmissionreconnaissance.However,duetothelargesize
oftheformation,whenthetraditionalmethodisusedforforma