与常规无人机集群的编队控制需要无人机之间通信来传递信息不同,无人机集群视觉编队无需通信仅需视觉测量信息即可维持编队控制,其不受复杂电磁环境的干扰,在执行某些特定任务时有着不可替代的作用。无人机编队构型是多架无人机为适应环境与任务要求所组成的特定排列,对编队构型进行切换能够增加编队的环境适应性与可执行的任务类型。本文以小数量无人机集群视觉编队为背景,对其构型切换的规划问题展开研究:首先,在编队坐标系下,基于匈牙利算法,遵循碰撞约束与通视约束,以移动路径总距离与切换用时为优化指标,求解编队构型切换的优化规划问题。将构型切换规划问题分解为构型切换目标分配与路径规划两个问题,建立目标分配问题的优化模型并采用匈牙利算法作为求解方法,标准匈牙利算法仅能够求解以移动路径总距离为优化指标的分配方案,而通过对匈牙利算法幂方化改进,得到的改进匈牙利算法则能够求解以切换用时为优化指标的分配方案。同时,采用直线路径作为无人机由初始位置前往期望位置的移动路径,配合匈牙利算法与改进匈牙利算法求解的分配方案,在碰撞约束与通视约束限制下得到构型切换问题的优化解,并在编队坐标系下通过仿真验证了方法的可行性。其次,出于实际工程应用的考虑,在编队坐标系下,以切换用时为优化目标,遵循碰撞约束与通视约束,采用正交分解折线路径与改进的幂方化匈牙利算法,求解编队构型切换的规划问题。通过对直线路径正交分解平移得到折线路径并建立数学模型,无人机沿平行于坐标轴的方向移动,除了能够在一定程度上防止碰撞外,还有利于整个编队体系的控制分析。通过改进的幂方化匈牙利算法求解折线路径下的构型切换目标分配方案,配合折线移动路径,在碰撞约束与通视约束的限制下得到适用于工程应用的规划问题解,并在编队坐标下通过仿真验证了方法的可行性。最后,在地面坐标系下,对上述两方法在编队坐标系中的求解结果进行仿真,进一步验证方法的可行性,并将算法应用于四机编队的构型切换飞行试验,验证了基于正交分解折线路径的构型切换规划方法在工程应用中的实用性。