2.1 固定翼編隊架構與演算法
固定翼飛機與旋翼機的飛行動態有著極大的 差異，最主要的差異在於固定翼飛機需要保持一 定的飛行速度以產生足夠的空速，如此才能提供 足夠的升力來維持穩定飛行；而旋翼機則沒有此 限制，可以做到完全停懸與任意方向的移動，包 含垂直與水平移動。因此對於固定翼的編隊架構 而言，速度與航向的控制對於編隊的結果有關鍵 的影響。圖 5 為本研究採用的固定翼飛機編隊架 構，先設定好長機(Leader)與僚機(Follower)的預 定偏移距離 D 與方位角θ ，透過下列方程式計算 出僚機所要追隨的動態導航點為(X , Y )。
sin cos
follower leader d leader
follower leader d leader
X X
Y D Y ... (1)
圖 5 固定翼飛機編隊架構
2.2 導航點追蹤
透過導航點(WayPoint, WP)追蹤可以讓長機與 僚機同時追隨預定的軌跡，對於長機而言，所追 隨的導航點可以設置通過半徑，讓長機可以依照
規劃的導航點執行任務，對於僚機而言，導航點 將不具有通過半徑，如此可以確保僚機永遠追隨 預定的導航點與軌跡。導航點追蹤的示意圖如圖 6 所示，當載具進入到通過半徑的範圍時，即判 定通過導航點，並朝下一個導航點飛行。
圖 6 導航點追蹤示意圖
2.3 固定翼編隊控制器設計
本研究採用的控制器設計是先模擬出長機的 動態，再由長機的位置產生相對的動態導航點，
讓僚機追隨此相對的動態導航點。圖 7 為編隊控 制器架構，由左邊方塊圖的長機所產生的位置、
速度與姿態資訊開始，僚機的控制器設計分為內 迴圈的姿態控制與外迴圈的相對位置編隊控制，
外迴圈的相對位置導航系統接收來自長機的位置、
速度與姿態資訊號，透過相對位置與相對速度的 計算，經由縱向、橫向與垂直編隊控制器產生目 標 姿 態 ， 所 採 用 的 編 隊 控 制 器 為 模 糊 控 制 器 (Fuzzy Logic Controller, FLC)。內迴圈姿態控制在 取得目標姿態後，透過所設計的姿態估測器回授 載具的姿態與角速度等資訊，計算出姿態誤差後，
再由所設計的姿態控制器操控載具，朝向目標的 位置靠近。相對位置、相對速度與目標姿態的計 算如下列方程式所示：
,2 1 2 cos 2 1 2 sin 2
xr y y x x
,2 1 2 sin 2 1 2 cos 2
yr y y x x ... (2)
,2 1 2
zr z z
,2 ,1cos 2 1 2 ,2 ,2
r h r h
x v y v
,2 ,1sin 2 1 2 ,2
r h r
y v x ... (3)
,2 ,1 ,2
r U U
z v v
,2 ,2 ,2,
xr r r desired
e x x
,2 ,2 ,2,
yr r r desired
e y y ... (4)
,2 ,2 ,2,
zr r r desired
e z z
其中 , 、 , 、 , 、 ̇ , 、 ̇ , 與 ̇, 分別為 三軸的相對位置與相對速度， 、 、 、 、 與 分別為長機與僚機在 ENU 座標上的位置，
, , 、 , , 與 , , 為僚機的目標 位置， , 、 , 與 是僚機的位置誤差。圖 8 為 採用的編隊控制器架構，舉橫向控制為例，FLC 的輸入為橫向位置誤差與僚機的目標速度，透過 FLC 計算出目標的滾轉角，將輸出的滾轉角減去 估算的滾轉角即為目標的滾轉角。內迴圈姿態控 制在接收到目標姿態角後，透過內迴圈姿態控制 器將載具控制到目標姿態，即可讓僚機朝目標的 動態導航點前進，達到編隊的效果。
圖 7 固定翼載具編隊控制器架構
圖 8 縱向、橫向與垂直位置編隊控制
2.4 旋翼機編隊控制
本研究旋翼機的編隊演算法與固定翼一樣，
都是採用虛擬長機的架構(Guerrero et al., 2010；
Davidi et al., 2011)，虛擬長機最主要的優點是長 機不存在，因此不會有長機失效而造成編隊失敗 的情形發生，所有僚機才是編隊飛行的主體，而 且僚機的相對位置可以任意置換。虛擬長機主要 的目的是產生平滑的參考軌跡，僚機再依照虛擬 長機的位置透過編隊演算法將各自的目標相對位 置計算出來，由個別的飛行控制器將載具控制在 預定的路徑上。本研究預計將虛擬長機的飛行動 態與控制器結合到地面站的程式之中，虛擬長機 的動態與路徑計算將符合實際四旋翼的運動模型 與飛行控制，虛擬長機的位置將採用全部僚機的 虛擬質心(Virtual Center of Mass)(圖 9)，虛擬長機 也會依照僚機實際的相對位置來調整飛行狀態，
以免發生僚機因環境干擾或其他不確定因素而脫 離編隊之隊形。
圖 9 以僚機虛擬質心作為虛擬長機
2.5 旋翼機編隊控制器設計
由先前提到旋翼機的運動方式與固定翼載具 不同，主要的差異在於速度控制的部分，就懸翼 機而言，控制器架構可以不用考慮引擎速度控制，
因為橫向與縱向的編隊控制均可使用姿態控制來 完成。四旋翼的全機運動模型如方程式(5)與(6)所 示，方程式(5)為四旋翼的線性運動方程式，為載
具各方向受力與馬達推力之關係式，控制輸入為
迴圈的速度控制器計算出要增加或減少的推力，
如此便可以達到高度控制的目標。
圖 12 垂直高度控制方塊圖