如何实施一场“无人机表演秀”？

无人机集群表演需要的硬件设备包括无人机、地面控制系统、通信设备等，各部分设备的协调与配合至关重要。

无人机是表演的主体，常用的是轻量级四轴多旋翼无人机，通常具备以下特征：

• LED灯光系统：为了实现夜空中炫目的光效，通常无人机上搭载LED灯，可以通过RGB控制实现不同颜色的变化。

• 导航与定位系统：无人机需要具备精确的定位系统，通常使用高精度的GPS或RTK（Real-Time Kinematic）增强系统来实现厘米级精度，以确保飞行的准确性。

  Tips：GPS精度通常为2m左右，而RTK则能达到2cm以内。

• 通信模块：每台无人机都配备无线通信模块，与地面控制站保持通信，接收飞行指令和状态数据。通信系统需具有较强的抗干扰能力，以确保数据传输的稳定性。

  Tips：通信模块通常配备两个频段，其中5.8G作为备份使用。

• 地面控制站：通常由计算机及控制软件组成，负责发送飞行指令、监控无人机状态并对其进行控制。地面控制站通过通信模块与无人机通信，以实现指令的传递和状态反馈。
  

• 通信设备：使用无线电通信来实现无人机和地面控制站之间的联系，通常采用2.4 GHz或5.8 GHz频段。为了避免干扰，频段的选择和干扰规避措施非常重要，特别是在城市等复杂环境中。

• 电池与充电器：无人机集群通常需要大量无人机同时起飞，因此电池管理至关重要。需要准备足够数量的电池，并确保所有电池在演出前都完全充电。

• 备用设备：包括备用无人机、电池、螺旋桨等。在演出过程中，可能会遇到无人机故障，备用设备能有效减少对演出的影响。

无人机集群表演的成功不仅依赖硬件，还需要强大而精密的软件系统。

相较于硬件，软件的实施是“高科技”实现的核心部分。这些软件主要包括路径规划、控制算法、仿真系统等。

对于那些成千上万的无人机集群表演，设计难度陡然增加，所耗费的时间和精力也是成倍上涨。对于广阔空间内无人机的舞步设计，其实就是我们常见电影里CG动画设计的雏形，只是精度更低，时间更短，要求更宽泛而已。

• 需要说明的是，以下“软件系统”部分的说明是笔者结合一些网络资料的大致表述，并非专业依据。有纰漏、错误的地方还请朋友们指摘、纠正。
• 同时，软件实现技术快速发展，不同体量的无人机表演设计可能使用不同软件系统，其程序与步骤也各不相同。以下仅做常规通识。

• 图案设计：首先需要设计表演中无人机所形成的图案，这些图案可能包括文字、动态的形象或者几何图形。可以使用3D MAX、Blender、AutoCAD等三维设计软件进行图案设计。设计好的图案需要导出为路径点的集合，表示每一时刻每架无人机的位置。

• 路径规划软件：将图案设计导入路径规划工具中，生成具体的无人机飞行轨迹。轨迹规划需要考虑无人机的起飞位置、飞行速度、位置变化以及避免碰撞的要求。常用工具如UgCS等，或者基于Python脚本编写自定义的规划工具。

  Tips：

  A. 对于简单的路径规划和舞步设计，通常使用BLENDER就足够了，一是因为上手容易，另外是因为FREE。

  Blender 是一个非常强大的开源三维建模、渲染和动画工具，主要功能集中在3D设计、建模、动画和可视化方面。
  

  B. 需要设计的要素，包括动画制作、转场时间控制、间距检查、灯光控制等。

• 控制系统的架构：地面控制站使用飞行控制软件来发送指令控制无人机。通常，控制软件可以基于ROS（Robot Operating System）进行开发，ROS提供丰富的工具和库，可以简化控制系统的开发。
  

• 姿态控制与位置控制：无人机的姿态控制（如滚转、俯仰、偏航）需要与位置控制结合在一起，以实现复杂轨迹的飞行。这些控制任务由无人机内部的飞控系统（如PX4、Ardupilot等）来完成。

  
  

群体控制算法用于确保无人机集群的飞行轨迹和动作的协调。以下是几种常用的算法：

• 集中式控制：所有无人机的控制由地面站统一计算并发送指令。这种方法的优点是控制精度高，但缺点在于通信量较大，对控制站性能和通信可靠性要求较高。
  

• 分布式控制：无人机之间通过通信共享自身的位置和状态，每个无人机根据邻近无人机的状态调整自己的飞行路径，类似于鸟群的运动方式。这种方法的优点是鲁棒性好，且可扩展到大规模无人机集群。

  注：鲁棒性是 robustness 的音译，在中文中常常也被表达为健壮性和强壮性，总体来说其可以用于反映一个系统在面临着内部结构或外部环境的改变时也能够维持其功能稳定运行的能力。
  

• Flocking算法：这是一种常用于群体控制的算法，灵感来源于自然界中鸟群或鱼群的行为，主要包括分离（避免碰撞）、对齐（朝相同方向飞行）和聚合（与邻居靠近但不碰撞）三个原则。

为了确保表演的顺利进行，必须在实际飞行之前进行多次仿真测试。常用仿真工具包括：

• Gazebo：一个三维物理仿真平台，特别适合与ROS配合使用，用于模拟无人机在真实环境中的飞行。
  

• Unity：可以用于创建复杂的三维环境，并对无人机表演进行精细的视觉仿真。

通过仿真，可以检测和修改设计中的问题，例如碰撞、轨迹不稳定等，从而减少实际飞行的风险。

无人机集群表演的成功离不开各个环节的有效协调，这些协调包括时间同步、避障处理、通信管理等。

• 无人机集群表演对时间同步要求极高，每一架无人机必须在精确的时间点执行预定的动作。为实现精确同步，通常使用GNSS（全球导航卫星系统）进行统一的时间校准，确保所有无人机的飞行路径和灯光变化都能严格按计划进行。

• 避障策略：为了避免无人机之间发生碰撞，除了轨迹规划阶段的路径优化之外，还需要考虑实时的避障技术。无人机通过传感器如激光雷达（少用）、超声波传感器等感知周围环境，如果检测到邻近无人机的异常靠近，可以进行微调，避免碰撞。

• 通信协调：无人机与地面控制站的通信需要稳定可靠，一旦通信中断，无人机可能会失去控制。为了确保通信稳定，可以采用Mesh网络形式，使得无人机与地面控制站以及无人机之间都有多路径通信（5.8G）的可能，以提升抗干扰能力。

• 天气是影响无人机表演的重要因素，特别是风速和降雨等状况。一般情况下，无人机集群表演会选择风速较小的天气进行，如果风速超过一定限制，无人机可能难以维持稳定的飞行姿态。

• 因此，气象评估和选择合适的表演时间非常关键。因气象因素而导致的表演取消也很常见。

在无人机集群表演中，可能会遇到各种问题，如个别无人机失联、信号干扰等，提前制定应急方案非常重要。

• 地理围栏：设定无人机的活动范围，如果某架无人机失联或失控飞出规定区域，可以立即触发返航或降落程序，避免更大的安全隐患。

• 冗余策略：在失控情况下，冗余无人机可以顶替故障无人机，继续完成表演任务。

• GPS信号的干扰可能来自于电磁环境或其他设备的干扰。为解决这种问题，可以考虑使用RTK-GPS系统，以提高定位精度，或通过切换备用频率减少干扰的影响。

• 软件问题往往难以完全避免，为此需要进行充分的仿真和演练，尽可能提前发现问题。此外，地面控制站应具备人工介入能力，确保在发生软件故障时可以手动控制无人机安全降落。

无人机集群表演涉及许多安全和管理方面的注意事项，确保这些细节都妥善考虑，才能保证表演的顺利进行。

• 无人机的使用需要符合当地对应飞行管制分区的空中交通管制机构的规定，表演需要提前报备并获得批准。

• 一般来说，涉及的要求包括飞行区域、飞行高度、无人机数量以及安全措施等。

• 观众区域隔离：为了防止无人机失控伤害观众，表演区域应与观众保持安全距离，并设置隔离带。

• 飞行安全检查：每台无人机在起飞前都需要进行严格的飞行前检查，确保电池、螺旋桨、LED灯等组件正常运行。

• 无人机的电池续航直接决定了表演的时间长短。因此，每次表演前都需要确认电池充满电，并进行状态检查。同时，为防止长时间表演电池电量不足，必须设置充电设备或备用电池，以应对突发情况。

• 飞行操作员：需要具备丰富的无人机操作经验，能够在表演过程中处理突发状况。

• 维修技术人员：在表演前后的准备和收尾阶段，维修人员需要负责无人机的检查和维护，以确保无人机状态良好。

• 应急响应人员：应急人员需要具备紧急处理的能力，以防无人机失控或其他事故发生。

无人机集群表演是一项结合了飞行控制技术、智能控制和精密协调的高科技表演形式。完美实现需要无人机硬件、控制软件、路径规划、群体控制算法的紧密结合，并且在演出过程中需要高精度的时间同步、有效的避障和通信管理。

尽管技术门槛降低了，但无人机集群表演对规划、调试和协调的要求依然非常高，尤其是在应对突发状况和确保安全方面，必须进行充分的准备和应急措施。

技术门槛的降低，价格也被打下来了，早前租用一架无人机上千，可能现在只需要几百块。不过无人机数量、规模越大，自然总价也是越高，经常会看到花费上千万的代价换来一场视觉盛宴的情况。资源是否浪费不说，反正很多人已经审美疲劳了，而且多少架无人机同时表演的吉尼斯世界纪录并没什么“x”用。