第四章：编队队形设计

编队飞行，说白了就是让一群无人机摆出各种造型。我做了这么多年飞控，见过最酷的一次是32架无人机在空中拼出一只凤凰——那队形变换的流畅度，至今记忆犹新。

但别急着想那些花哨的。咱们先聊聊基础。

4.1 常见队形：四种基本款

实际项目中，90%的编队任务都跑不出这四种队形。我一个个说。

4.1.1 V形队形

V形是最经典的编队队形。为什么？因为自然界里大雁就这么飞。空气动力学上有优势，后机可以借助前机的上升气流省力。无人机虽然不靠气流，但V形有个好处——视野开阔，每架飞机都能看到领机。

我在项目中遇到过一个问题：V形的夹角选多大合适？太小了，后机容易被前机尾流干扰；太大了，队形太散，通信延迟会变大。我个人习惯用30°到45°之间，具体看飞机大小和飞行速度。

4.1.2 楔形队形

楔形和V形很像，但区别在于：V形的顶点在队首，楔形的顶点在队尾。说白了，V形是「尖头朝前」，楔形是「平头朝前」。

楔形的好处是什么？覆盖范围大。侦察任务中，楔形队形可以让每架飞机的雷达覆盖区域重叠最少，搜索效率最高。嗯，这里要注意：楔形的后机间距要比V形大一些，否则容易撞。

4.1.3 环形队形

环形队形，也叫圆形编队。所有飞机均匀分布在圆周上，圆心可以是虚拟点，也可以是某架飞机。

环形队形最大的优势是360°无死角。我做过一个安保项目，6架无人机围着目标建筑绕飞，用的就是环形队形。当时遇到一个问题：半径怎么定？太近了，飞机之间互相干扰；太远了，覆盖出现盲区。最后我们定了个经验公式：半径 = 飞机间距 × 飞机数量 / (2π)，再乘以1.2的安全系数。

4.1.4 直线队形

直线队形最简单，但别小看它。一字排开，适合扫海、巡线、搜索。纵队排列，适合穿越狭窄通道。

直线队形有个坑：如果飞机数量多，队形会拉得很长，首尾通信延迟会变大。我曾经遇到过，8架飞机排成一字，最后一架收到的指令比第一架晚了200毫秒——这在高速飞行时是致命的。

4.2 队形参数化表示

光说形状不够，得能用数学描述。你想想看，飞控程序里总不能写「排成V形」吧？得给坐标。

我常用的参数化方法有两种：

4.2.1 相对位置法

以领机为原点，定义每架僚机的相对坐标。比如V形队形：

// V形队形参数化示例
// 领机在 (0, 0, 0)
// 僚机1: 右后方 (-d, -d*tan(θ/2), 0)
// 僚机2: 左后方 (-d, d*tan(θ/2), 0)
// 其中 d 是前后间距，θ 是V形夹角

struct FormationParam {
    float d;      // 前后间距
    float theta;  // V形夹角（弧度）
    int n;        // 飞机数量
};

4.2.2 虚拟结构法

定义一个虚拟的刚性结构，每架飞机绑定到结构上的一个点。队形变换时，只改变这个虚拟结构的形状，飞机自动跟随。

我个人更推荐虚拟结构法。为什么？因为队形变换时，你只需要更新结构参数，不用一架一架去算。我在项目中用这个方法，队形切换时间从原来的2秒降到了0.3秒。

4.3 队形变换策略

队形变换，是编队飞行中最容易出问题的地方。我见过太多飞机在变换过程中撞到一起的案例。

常用的变换策略有三种：

4.3.1 直接变换法

所有飞机同时从当前位置飞向目标位置。简单粗暴，但风险大。如果路径交叉，就可能撞机。

我曾经试过，6架飞机从直线变环形，直接变换法下有两架飞机的路径交叉了，差点撞上。从那以后，我再也不敢用直接变换法了。

4.3.2 渐进变换法

先让所有飞机飞到同一个过渡队形，再飞到目标队形。比如从V形变环形，可以先变成圆形，再调整半径。

渐进变换法安全，但慢。适合飞机数量多、空间狭窄的场景。

4.3.3 优先级变换法

给每架飞机设定优先级，优先级高的先动，优先级低的后动。这样能避免路径冲突。

优先级怎么定？我一般按飞机编号，或者按距离目标位置的远近。离得远的先动，离得近的后动——这样不容易撞。

4.4 队形约束条件

设计队形不是画画，得考虑一堆约束。我总结了一下，主要有这几条：

• 安全距离约束：任意两架飞机之间的距离不能小于安全阈值。我一般设3-5米，具体看飞机尺寸和定位精度。
• 通信约束：每架飞机必须能和领机通信。如果队形太大，中间需要中继节点。
• 视场约束：每架飞机的传感器要能覆盖目标区域。环形队形里，如果半径太大，中间会有盲区。
• 动力学约束：飞机的转弯半径、加速度、速度都有上限。队形设计时得留余量。
• 能量约束：队形中不同位置的飞机能耗不同。V形队形里，领机能耗最大，后机能耗小。如果一直不变换，领机的电池会先耗尽。

嗯，这里要特别说一下能量约束。我做过一个项目，8架飞机编队巡航，飞了20分钟后，领机电量只剩30%，后机还有60%。后来我们加了个轮换机制，每10分钟换一次领机，才解决了这个问题。

4.5 知识体系总览

说了这么多，我画了张图，把队形设计的核心逻辑串起来。你一看就明白了。

这张图把队形设计的四个核心模块串起来了。你从「常见队形」入手，用「参数化表示」去描述它，用「变换策略」去改变它，最后用「约束条件」去检查它——这就是一套完整的队形设计流程。

好了，队形设计这块就聊到这儿。记住我一句话：队形设计不是画画，是数学加工程学的平衡艺术。多跑仿真，多试错，慢慢就有感觉了。

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