張晉武

(海軍裝備研究院 北京 100161)

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無人機(jī)編隊飛行技術(shù)研究*

張晉武

(海軍裝備研究院 北京 100161)

無人機(jī)編隊執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的性能和效率比單機(jī)高出許多,因而無人機(jī)編隊飛行已成為無人機(jī)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展研究的熱點問題。論文在分析無人機(jī)編隊飛行特點的基礎(chǔ)上,闡述了無人機(jī)編隊飛行原理與方法,將無人機(jī)編隊飛行過程歸結(jié)為編隊集結(jié)、編隊保持和編隊重組三個階段,分別對這三個階段的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析總結(jié),并對無人機(jī)編隊未來的發(fā)展方向和研究挑戰(zhàn)進(jìn)行了展望。

無人機(jī); 編隊飛行; 編隊集結(jié); 編隊保持; 編隊重組

Class Number V279

1 引言

無人機(jī)發(fā)展至今已經(jīng)經(jīng)過了幾十年,相關(guān)技術(shù)已經(jīng)相對成熟,已經(jīng)在軍事和民用領(lǐng)域中發(fā)揮重要的作用[1]。為了適應(yīng)未來的挑戰(zhàn),現(xiàn)今無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向有兩個:一方面需要提高單機(jī)的功能和效率,比如發(fā)展多用途、長航時、高可靠等需求的無人機(jī);另一方面需要在現(xiàn)有的技術(shù)的基礎(chǔ)上,發(fā)展更為高效的無人機(jī)管理和組織模式?；诖?無人機(jī)編隊飛行成為近年來提出的無人機(jī)合作化發(fā)展方向中的一個核心概念。

無人機(jī)編隊飛行[2],即多架無人機(jī)為適應(yīng)任務(wù)要求而進(jìn)行的三維空間排列和任務(wù)分配的組織模式,它既包括編隊飛行的隊形產(chǎn)生、保持和重組[3],也包括飛行任務(wù)的組織,可以根據(jù)外部情況和任務(wù)需求進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。無人機(jī)編隊飛行是無人機(jī)發(fā)展的一個重要趨勢,擁有廣闊的發(fā)展前景。

雖然無人機(jī)編隊飛行相較于單機(jī)而言,有很多優(yōu)點,但是無人機(jī)畢竟不能完全自主和智能地調(diào)整自身飛行狀態(tài),以高效地完成作戰(zhàn)任務(wù)。而且對于無人機(jī)編隊而言,各單機(jī)之間通信保障也是一個重要的考慮因素。本文將無人機(jī)編隊飛行劃分為編隊集結(jié)、編隊保持和編隊重組三個階段,并分析各個階段中的研究熱點和研究現(xiàn)狀。

2 無人機(jī)編隊飛行的特點

相較于單機(jī)而言,無人機(jī)編隊在氣動效率方面有很大的提升,可以有效提升編隊的航程[4]。因為處于跟隨位置的無人機(jī)的升/阻比得到明顯提升,從而使整個編隊的能源利用率得到提升。同時無人機(jī)編隊可以攜帶各類規(guī)格不同的裝備,以不同的編隊隊形,協(xié)作完成單無人機(jī)不能完成的任務(wù),如高精度定位、多角度成像及戰(zhàn)區(qū)通信中繼等。一般來說,單無人機(jī)可以進(jìn)行二維測繪作業(yè),而無人機(jī)編隊按一定的隊形排列,采取一定的測繪方法測量則可以完成目標(biāo)精確三維信息的采集。另外由于單機(jī)搭載的傳感器等設(shè)備有限,完成復(fù)雜任務(wù)時,必須分多次完成,影響任務(wù)執(zhí)行效率,而如果是無人機(jī)編隊執(zhí)行任務(wù),只需要無人機(jī)組分散搭載設(shè)備,將任務(wù)分解,讓各個單機(jī)執(zhí)行簡單任務(wù)即可[5]。而且當(dāng)無人機(jī)因突發(fā)情況,比如單機(jī)被擊落或因機(jī)械原因無法繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)時,編隊飛行的無人機(jī)中備用的無人機(jī)仍然可以保證整個編隊繼續(xù)執(zhí)行任務(wù),這種可靠性和冗余度在復(fù)雜多變的任務(wù)中(特別是戰(zhàn)場)是十分有必要的,這也是無人機(jī)編隊相較無人單機(jī)作業(yè)的一個突出特點和優(yōu)勢。如何有效地利用無人機(jī)編隊飛行的優(yōu)點,正成為無人機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究的熱點。接下來分析無人機(jī)編隊飛行過程的三個階段的研究狀況。

3 無人機(jī)編隊飛行過程

3.1 編隊集結(jié)

編隊集結(jié)是指多個無人機(jī)從任一初始狀態(tài),按一定約束條件,調(diào)整自身的飛行參數(shù),以形成編隊隊形的過程。這一過程中,約束條件有很多類型: 1) 能耗最少; 2) 集結(jié)時間最短; 3) 避開障礙物和威脅; 4) 無人機(jī)之間的安全距離; 5) 各無人機(jī)的轉(zhuǎn)彎速度上下限; 6) 無人機(jī)之間通信狀況。按照這些約束條件和不同的任務(wù)類型,無人機(jī)可以編成各式隊形展開飛行作戰(zhàn)任務(wù)[6]。能耗是一個系統(tǒng)性因素,在任務(wù)危險程度不高,比如航跡區(qū)域安全時,可以在這個方面要求高一點。當(dāng)然如果出現(xiàn)威脅無人機(jī)安全的情況,可以不太強(qiáng)調(diào)這方面的約束。時間也是一個很重要的約束條件,因為很多時候任務(wù)十分緊急,特別是作戰(zhàn)任務(wù)。當(dāng)碰上緊急任務(wù)時,集結(jié)時間的要求會十分嚴(yán)格,因為作戰(zhàn)時機(jī)可能就只有很短的一段時間。編隊集結(jié)過程中,編隊也可能會遇到特殊空情或障礙,這時需要對編隊內(nèi)所有無人機(jī)重新進(jìn)行航跡規(guī)劃,以避開潛在威脅。不同隊形的氣動效應(yīng)不盡相同,編隊內(nèi)各無人機(jī)所受到氣動干擾也不相同,無人機(jī)飛行參數(shù)的設(shè)定也會相應(yīng)不同,所采取的防碰撞策略也會相應(yīng)不同,以避免無人機(jī)相互碰撞和保持編隊隊形。編隊轉(zhuǎn)彎時,各機(jī)的轉(zhuǎn)彎速度應(yīng)控制好,不然不僅無法保持編隊隊形,還有可能導(dǎo)致撞機(jī),這需要地面控制人員規(guī)劃好每架無人機(jī)的航線,對計算精度和時間的要求較高,特別是遇到緊急情況時。由于無人機(jī)飛行速度很快,對于通信的要求也相應(yīng)較高,必須保證通信暢通。

編隊集結(jié)有兩種形式:一是作戰(zhàn)任務(wù)下達(dá)時,所有無人機(jī)在規(guī)定時間內(nèi)從各自機(jī)場向預(yù)定目標(biāo)區(qū)域集結(jié);二是作戰(zhàn)任務(wù)完成時,所有無人機(jī)向各自基地返行,如果有多架無人機(jī)向同一個基地返行時,它們需要先集結(jié),然后依次降落到基地。集結(jié)完成后,編隊就進(jìn)入編隊保持階段,保持編隊隊形向預(yù)定作戰(zhàn)目標(biāo)飛行。

3.2 編隊保持

編隊保持是指編隊飛行過程中,如何調(diào)整各個無人機(jī)的飛行參數(shù),以保持編隊隊形不變。這是一個動態(tài)調(diào)整的過程,對任務(wù)執(zhí)行十分重要,如需對目標(biāo)進(jìn)行精確定位打擊時,編隊隊形的保持就顯得尤為重要,如果隊形不能保持,會影響定位精度。編隊保持過程中有三個主要約束條件: 1) 有效避開障礙物和威脅區(qū)域; 2) 避免無人機(jī)之間碰撞; 3) 編隊內(nèi)通信需要保障; 4) 要考慮無人機(jī)之間的氣動效應(yīng)。

編隊因任務(wù)要求往往要保持其在隊列中的相對位置基本不變。一般的保持策略是編隊中的每架無人機(jī)保持與隊列中約定點的相對位置不變,而當(dāng)這個約定點是領(lǐng)航機(jī)的時候,這個保持策略就稱為領(lǐng)航-跟隨者(Leader-Follower)策略[7]。在陣形保持過程中,可能會因一些干擾因素引起擾動,防止沖突策略就是要避免在擾動下可能發(fā)生的碰撞和信息交互中的阻塞。無人機(jī)組要保持一定的隊列形狀,它們之間必須有信息的交互。信息交互的控制策略一般有集中式控制、分布式控制和分散式控制,每一種方式都有其特點、優(yōu)勢和適用場景。

1) 集中式控制策略

在集中式控制策略中,編隊中每架無人機(jī)都需要將自己的飛行參數(shù),如位置、速度、高度、姿態(tài)等信息傳遞給編隊內(nèi)所有無人機(jī),因而編隊內(nèi)每一架無人機(jī)都知道整個編隊隊形的所有信息。這樣做的好處是控制靈活性高、效果好,但同時由于信息交互量巨大,對機(jī)載計算機(jī)的性能要求高,系統(tǒng)的控制算法也相應(yīng)復(fù)雜不少。

2) 分布式控制策略

在分布式控制策略中,編隊內(nèi)每架無人機(jī)要只與相鄰的無人機(jī)交互各自的飛行參數(shù)。在這種情況下,每一架無人機(jī)所需要知道和處理的信息量就少很多,使得系統(tǒng)實現(xiàn)相對簡單,控制算法也不會很復(fù)雜,當(dāng)然控制效果相對集中式控制來說要差一些。分布式控制策略又有三種不同的方法:

(1)領(lǐng)航-跟隨者策略是目前最為成熟的編隊控制策略了,其基本思想是在編隊中選擇一架無人機(jī)作為領(lǐng)航者,其余無人機(jī)均作為跟隨者,參照領(lǐng)航者的位置來調(diào)整自身飛行參數(shù),以保持自己與領(lǐng)航者之間的相對位置不變,從而達(dá)到保持編隊隊形的目的。最為簡單的領(lǐng)航-跟隨者模型是編隊內(nèi)所有無人機(jī)均以同一個領(lǐng)航者以參照。這樣由于每架無人機(jī)只需要跟隨領(lǐng)航者調(diào)整自己的飛行參數(shù),計算量小,控制簡單。但缺點也顯而易見,如果領(lǐng)航者故障或損壞,編隊將完全無法運(yùn)行。

(2)鏈?zhǔn)筋I(lǐng)航-跟隨者策略是一種改進(jìn)型的領(lǐng)航-跟隨者策略,不需要所有無人機(jī)都參照同一領(lǐng)航者,而是參照其最近鄰居,如圖1所示。

圖1 鏈?zhǔn)筋I(lǐng)航-跟隨者策略

如圖1所示,無人機(jī)f1為首機(jī),f2和f3只需要跟隨f1即可,與其保持相對位置不變,而f4、f5則分別跟隨f2、f4,它們可以組成若干個二機(jī)跟隨序列,每架飛機(jī)與自己的領(lǐng)航者進(jìn)行通信。這樣如果有新機(jī)需要編入時,可以很好地兼容擴(kuò)充。這樣雖然無法完全克服領(lǐng)航者問題,但可以在領(lǐng)航者失效的情況下,極大地將損失降低。

(3)虛擬領(lǐng)航-跟隨策略的思想是在編隊中找一個虛擬的固定點作為虛擬的領(lǐng)航者,所有的無人機(jī)都保持相對于虛擬領(lǐng)航者的位置不變。虛擬領(lǐng)航者在編隊中的位置是根據(jù)編隊隊形計算出來的,編隊飛行過程中,所有無人機(jī)都跟蹤虛擬領(lǐng)航者的狀態(tài),并動態(tài)地調(diào)整飛行動態(tài),以保持編隊隊形[8]。當(dāng)編隊內(nèi)有無人機(jī)因故需要退出編隊時,編隊內(nèi)其它無人機(jī)會根據(jù)一定算法替補(bǔ)上,以保持編隊隊形不變。虛擬領(lǐng)航-跟隨者策略中,由于領(lǐng)航者是虛擬的,并不是實際的無人機(jī),不存在其會損毀或故障的問題,可以有效克服領(lǐng)航-跟隨者策略下“領(lǐng)航者失效導(dǎo)致編隊無法運(yùn)行”的問題。當(dāng)然這種策略也有一些缺陷。由于虛擬領(lǐng)航者是虛擬出來的,其飛行參數(shù)很可能是數(shù)字模擬的,如果計算精度和算法性能不夠好的話,很可能在編隊轉(zhuǎn)彎時出現(xiàn)差錯,因為這時虛擬領(lǐng)航者的飛行航跡的曲率變化不連續(xù),從而導(dǎo)致編隊所有無人機(jī)跟隨出現(xiàn)異常情況,使編隊隊形無法保持。因而在這種策略下,有必要設(shè)計一個好的轉(zhuǎn)彎模型,以防出現(xiàn)異常情況。

表1對這三種控制策略進(jìn)行了對比,可以很直觀地看到各自的優(yōu)缺點,在設(shè)計無人機(jī)編隊時,可以根據(jù)需求,選擇合適的策略,或者混合使用,以達(dá)到更好的效果。

表1 三種編隊保持控制策略對比

3.3 編隊重組

編隊重組是指編隊飛行過程中,部分無人機(jī)因特殊原因,如機(jī)械故障、敵方火力打擊、障礙物以及目標(biāo)情況發(fā)生較大變化時,需要暫時離開編隊,此時編隊隊形需要重新生成的情形。與編隊集結(jié)一樣,編隊重組也要考慮各種約束條件: 1) 重組時間最短; 2) 避免無人機(jī)之間碰撞; 3) 通信保障條件變化; 4) 無人機(jī)之間的氣動干擾;5)能耗最少等。

從編隊重組場景的角度來看,編隊重組問題可以分為以下三種類型。

1) 平衡編隊的燃油消耗。

由于空氣動力學(xué)的影響,使用領(lǐng)航-跟隨者策略進(jìn)行編隊飛行時,跟隨者會比領(lǐng)航者節(jié)省燃油。為平衡編隊各無人機(jī)之間的燃油消耗,可以在編隊飛行過程中各無人機(jī)輪流充當(dāng)領(lǐng)航者?？梢詤⒄沼嬎銠C(jī)系統(tǒng)中的任務(wù)調(diào)度策略,讓編隊內(nèi)所有無人機(jī)在不同的時候輪流做編隊領(lǐng)航者。最簡單的方法就是時間片輪轉(zhuǎn),每隔一段時間,定期地切換領(lǐng)航者。與計算機(jī)一樣,切換本身也會增加燃油消耗,因此要控制好切換的頻率,以保持編隊執(zhí)勤效率?？紤]全面一點,可以依據(jù)每架無人機(jī)的飛行情況,來選擇領(lǐng)航者,如燃料最多者或最輕者或領(lǐng)航時間最短者等,這些都可以成為參考依據(jù)。

2) 遇到障礙物。

編隊飛行過程中,當(dāng)遇到障礙物并且當(dāng)前隊形無法正常通過時,就需要改變編隊隊形以保證所有無人機(jī)能夠安全通過障礙物。比如,當(dāng)三角形狀的長僚機(jī)編隊遇到障礙物并且直接無法通過時,可以命令僚機(jī)依次跟隨在長機(jī)之后,將隊形變成線形隊形,依次通過障礙區(qū)即可。通過障礙物之后,再令編隊恢復(fù)原來的隊形。當(dāng)然,也可以根據(jù)計算機(jī)離散數(shù)學(xué)圖論理論,將當(dāng)前編隊隊形視作一個剛性大圖,在遇到障礙物時,將編隊分離成幾個小的編隊,每個小的編隊分別是一個剛性小圖。越過障礙后,再合并成原隊形。這個過程中,也要考慮編隊執(zhí)勤的效率,因為各小編隊在重組一個大編隊時,需要考慮的因素也很多。

3) 編隊中部分無人機(jī)故障或損毀

當(dāng)編隊中部分無人機(jī)無法繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)時,編隊重組可以分為兩種形式:一是尋找替代無人機(jī)頂替,繼續(xù)保持原隊形執(zhí)行任務(wù);二是編隊變形成全新的隊形,繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。替代無人機(jī)可以參照仿生學(xué),依照鳥類飛行規(guī)律,由最后的無人機(jī)來填補(bǔ),也可以選擇受氣流影響最大或處于最不利位置的無人機(jī)來填補(bǔ),這樣可以大大提高編隊飛行效率[9]。而當(dāng)損失達(dá)到一定程度,編隊需要變換成全新隊形,以繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。這時需要使用一些高效的算法來使編隊迅速組成新隊形繼續(xù)執(zhí)行任務(wù),可應(yīng)用的有自適應(yīng)遺傳算法等。利用這些算法,可以高效迅速地重組我方編隊隊形,從而充分發(fā)揮我方編隊的優(yōu)勢。

4 結(jié)語

無人機(jī)編隊飛行研究涉及了許多領(lǐng)域,如仿生學(xué)、空氣動力學(xué)、自動控制、通信、導(dǎo)航、雷達(dá)、圖像處理、航跡規(guī)劃、人工智能等,是一個復(fù)雜的綜合性研究課題,需要相關(guān)領(lǐng)域的科研人員合作才能完成。雖然對無人機(jī)編隊飛行的研究已經(jīng)取得了不少研究成果,但距離真正的無人機(jī)編隊自主飛行還很遠(yuǎn)。對無人機(jī)編隊飛行的研究應(yīng)繼續(xù)深入對編隊內(nèi)部無人機(jī)之間的協(xié)同機(jī)制[10]的研究,由于編隊中每個無人機(jī)只是依賴有限或局部的信息進(jìn)行決策,因而在一些特定情況下,無人機(jī)之間的控制決策有可能發(fā)生沖突,特別是編隊規(guī)模變大之后。這時就需要一個有效的協(xié)同機(jī)制來排除潛在沖突,而現(xiàn)有的這方面的研究還相對不多,可以做一些更深入的研究工作。

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Technology of Unmaned Aerial Vehicles(UAVs) Formation Flight

ZHANG Jinwu

(Navy Equipment Research Institute, Beijing 100161)

Research of UAVs formation is an hot spot in the field of research on application technology development of UAV, because performance and efficiency of UAVs formation is much higher than that of single aircraft when carrying out complicate task. Based on the flight characteristic of UAVs formation, principle and method of UAVs formation flight are illustrated. UAVs formation flight is divided into three steps, including formation forming, formation holding and formation regrouping. After discussing each research situation of stage, the future research direction, challenges and tendency are proposed.

unmaned aerial vehicle, formation flight, formation forming, formation holding, formation regrouping

2015年2月8日,

2015年3月27日

張晉武,男,博士,高級工程師,研究方向:作戰(zhàn)系統(tǒng)、信息系統(tǒng)。

V279

10.3969/j.issn1672-9730.2015.08.003