在進行硬體迴路模擬之前，先以軟體迴路模 擬進行導航點追蹤與編隊演算法的驗證，軟體迴 路模擬與硬體迴路模擬的差別在於軟體迴路不使 用 OBC，直接使用 GCS 來執行導航點追蹤與編隊 控制器。
4.1 固定翼載具模擬
4.1.1 軟體迴路模擬
軟體迴路模擬是一個比較理想的模擬，因此 適合用於編隊控制器與編隊演算法的驗證上。在 固定翼載具的軟體模擬上，採用 X-Plane 內建的 PT-60 模型飛機進行模擬，模擬所使用的預定偏移 距離 D 為 50 m，目標方位角 為±150°，模擬的 結果如表 1 所示。圖 18 為模擬的軌跡，圖 19 為模 擬的垂直高度變化，由這兩張圖可以得知，所採 用的編隊控制器與編隊演算法皆有相當不錯的表 現，水平距離誤差在 10 m 以內，垂直距離在 1 m 以內。
表 1 軟體迴路模擬結果(
D
與 ) mean Standard deviationD
(Follower 1) 43.17m 2.26md
(Follower 1) -150.36° 2.70°
D
(Follower 2) 42.17m 2.49md
(Follower 2) 149.67° 2.87°
圖 18 軟體迴路模擬之二維軌跡
圖 19 軟體迴路模擬之垂直高度變化
4.1.2 硬體迴路模擬
在硬體迴路模擬中，為了讓模擬的載具接近 實際開發的載具，在 X-Plane 中採用的載具是自行 建立的模型 SW-X3。模擬的路徑如圖 20 所示，導 航點為 WP1 與 WP2，實線為預訂的飛行路徑，藍 色為模擬的載具飛行路徑。圖 21 為所模擬的誤差 結果，結果顯示載具在切換到自主飛行模式後，
快速將橫向距離誤差 dy 降到 2 m 以內，航向誤差 在抵達 WP2 前也降到 5°以內，高度誤差則是在 2 m 左右，模擬的結果顯示導航點追蹤與編隊演算 法可以達到預期目標。
圖 20 硬體迴路模擬之飛行軌跡
圖 21 硬體迴路模擬之外迴圈控制結果
4.2 旋翼機模擬
4.2.1 軟體迴路模擬
旋翼機的軟體迴路模擬架構與固定翼載具相 同，皆是透過 GCS 來執行編隊控制器與編隊演算
法。採用的 GCS 如圖 22 所示，此介面可以設定僚 機的數量與預定偏移距離，也可以設定載具的最 大移動速度與最大轉彎角速度。圖 22 中綠色載具 為虛擬長機，外圍為三台紅色載具為僚機，圖中 黃點是由虛擬長機所計算出來的動態導航點，這 些點即是僚機所要追隨的目標，並且依照編隊演 算法與僚機數量去產生，動態導航點的移動速度 與角速度依據虛擬長機的動態去設定。模擬的結 果如圖 23 與圖 24 所示，圖 23 中紅叉為自行設定 之長機導航點，藍線為僚機一導航點路徑，橘線 為僚機二導航點路徑，黃線為僚機三導航點路徑。
圖 24 中藍線為虛擬長機軌跡，紅線僚機一動態導 航點軌跡，黃線為所模擬的飛行軌跡，結果顯示 僚機皆可追隨動態導航點的軌跡，即使是在導航 點變換時，動態導航點因轉彎而產生快速移動圓 曲線軌跡，僚機都可以迅速跟隨到動態導航點的 位置。
圖 22 旋翼機三台僚機編隊模擬
圖 23 長機導航點與三台僚機之模擬路徑(藍色、
紅色與黃色)
230 235 240 245 250
Time(sec) -50
0 50
100 dy v.s. Time
230 235 240 245 250
Time(sec) -40
-20 0 20
40 Heading Error v.s. Time
230 235 240 245 250
Time(sec) -5
0 Altitude Error v.s. Time
圖 24 虛擬長機軌跡(藍色)與僚機一動態導航點 軌跡(紅色)及模擬路徑(黃色)
4.2.2 使用 X-Plane 進行軟體迴路模 擬
在此模擬中使用的載具為 X-Plane 的四旋翼模 型(圖 25)，以軟體迴路的方式進行載具的內迴圈 與外迴圈控制器之驗證。於 GCS 上先設置 4 個導 航點，再由虛擬長機的動態去產生僚機的動態導 航點。模擬的結果如圖 26 與圖 27 所示，圖 26 為 水平位置控制的模擬結果，圖上紅色為虛擬長機 的軌跡，藍色為僚機的模擬軌跡。圖 27 上為垂直 高度控制模擬結果，載具從地面起飛後，經由垂 直高度控制器將載具維持在預定的高度，就算是 載具在轉彎的過程中造成誤差增加，控制器仍然 可以快速將載具的高度維持在預定高度。
圖 25 旋翼機在 X-Plane 中的模擬結果
圖 26 水平位置控制的模擬結果
圖 27 垂直高度控制模擬結果
5. 結論
本研究成功開發出無人飛行載具(UAV)之編 隊飛行模擬平台，模擬平台包含軟體迴路模擬與 硬體迴路模擬(HIL)系統，採用的 UAV 載具分為 固定翼載具與旋翼機，在此選用四旋翼作為旋翼 機之測試載具。成功使用所開發的編隊模擬平台 來驗證編隊控制器與編隊演算法。模擬的結果顯 示，所開發的模擬平台可用於兩種不同構型的載 具，包含固定翼載具與旋翼機上，同時驗證軟體 迴路與硬體迴路模擬皆可以達到 UAV 編隊控制器 與編隊演算法的驗證。本研究模擬的條件並未考 慮載具之間的傳輸延遲、通訊頻寬與系統延遲等 問題，這些問題將會影響多台載具在編隊控制時 的準確度與響應速度，進而增加編隊的姿態與位 置誤差，因此將來在實作上需要提高載具姿態與 位置控制之安全裕度，以避免因系統不確定性造
成編隊無法達到預期目標。除此之外，未來也應 將感測器的雜訊加到模擬平台中，如此可讓平台 更接近真實系統，同時可計算出雜訊所產生誤差 大小，並且設計出具有強健性之控制器來減低雜 訊之影響。未來將使用此平台來驗證多智能體系 統，讓所有載具可以進行編隊也可以分工合作來 完成複雜的任務，例如在大範圍面積進行目標搜 索，藉由路徑規劃與多機協調的功能來降低搜索 的時間。未來也將使用實際飛行載具來驗證所開 發的編隊控制器與編隊演算法，完成實機驗證，
加速未來實際應用的實現。
誌謝
本研究之計畫經費由科技部補助，計畫編號 MOST 103-2221-E-035-067- 及 MOST 103-2632-E-035-001-MY3，特此致謝。
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1 Assistant Professor, Feng Chia University, Department of Aerospace and Systems Received Date: Dec. 29, 2015
Engineering Revised Date: May. 11, 2017
2 Researcher, National Chung-Shan Institute of Science & Technology Accepted Date: May. 23, 2017
3 Research Assistant, National Chung-Shan Institute of Science & Technology
* Corresponding Author, Tel: 886-4-24517250 ext.3956, E-mail: [email protected]