無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行技術(shù)研究*

張晉武

(海軍裝備研究院 北京 100161)

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無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行技術(shù)研究*

張晉武

(海軍裝備研究院 北京 100161)

無(wú)人機(jī)編隊(duì)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(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行已成為無(wú)人機(jī)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。論文在分析無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,闡述了無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行原理與方法,將無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行過(guò)程歸結(jié)為編隊(duì)集結(jié)、編隊(duì)保持和編隊(duì)重組三個(gè)階段,分別對(duì)這三個(gè)階段的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析總結(jié),并對(duì)無(wú)人機(jī)編隊(duì)未來(lái)的發(fā)展方向和研究挑戰(zhàn)進(jìn)行了展望。

無(wú)人機(jī); 編隊(duì)飛行; 編隊(duì)集結(jié); 編隊(duì)保持; 編隊(duì)重組

Class Number V279

1 引言

無(wú)人機(jī)發(fā)展至今已經(jīng)經(jīng)過(guò)了幾十年,相關(guān)技術(shù)已經(jīng)相對(duì)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(lái)的挑戰(zhàn),現(xiàn)今無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向有兩個(gè):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(zhǎng)航時(shí)、高可靠等需求的無(wú)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(wú)人機(jī)管理和組織模式?；诖?無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行成為近年來(lái)提出的無(wú)人機(jī)合作化發(fā)展方向中的一個(gè)核心概念。

無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行[2],即多架無(wú)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(duì)飛行的隊(duì)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(dòng)態(tài)調(diào)整。無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行是無(wú)人機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì),擁有廣闊的發(fā)展前景。

雖然無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行相較于單機(jī)而言,有很多優(yōu)點(diǎn),但是無(wú)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(duì)于無(wú)人機(jī)編隊(duì)而言,各單機(jī)之間通信保障也是一個(gè)重要的考慮因素。本文將無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行劃分為編隊(duì)集結(jié)、編隊(duì)保持和編隊(duì)重組三個(gè)階段,并分析各個(gè)階段中的研究熱點(diǎn)和研究現(xiàn)狀。

2 無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行的特點(diǎn)

相較于單機(jī)而言,無(wú)人機(jī)編隊(duì)在氣動(dòng)效率方面有很大的提升,可以有效提升編隊(duì)的航程[4]。因?yàn)樘幱诟S位置的無(wú)人機(jī)的升/阻比得到明顯提升,從而使整個(gè)編隊(duì)的能源利用率得到提升。同時(shí)無(wú)人機(jī)編隊(duì)可以攜帶各類(lèi)規(guī)格不同的裝備,以不同的編隊(duì)隊(duì)形,協(xié)作完成單無(wú)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(lái)說(shuō),單無(wú)人機(jī)可以進(jìn)行二維測(cè)繪作業(yè),而無(wú)人機(jī)編隊(duì)按一定的隊(duì)形排列,采取一定的測(cè)繪方法測(cè)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(shí),必須分多次完成,影響任務(wù)執(zhí)行效率,而如果是無(wú)人機(jī)編隊(duì)執(zhí)行任務(wù),只需要無(wú)人機(jī)組分散搭載設(shè)備,將任務(wù)分解,讓各個(gè)單機(jī)執(zhí)行簡(jiǎn)單任務(wù)即可[5]。而且當(dāng)無(wú)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(wú)法繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)時(shí),編隊(duì)飛行的無(wú)人機(jī)中備用的無(wú)人機(jī)仍然可以保證整個(gè)編隊(duì)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(chǎng))是十分有必要的,這也是無(wú)人機(jī)編隊(duì)相較無(wú)人單機(jī)作業(yè)的一個(gè)突出特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。如何有效地利用無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行的優(yōu)點(diǎn),正成為無(wú)人機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究的熱點(diǎn)。接下來(lái)分析無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行過(guò)程的三個(gè)階段的研究狀況。

3 無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行過(guò)程

3.1 編隊(duì)集結(jié)

編隊(duì)集結(jié)是指多個(gè)無(wú)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(duì)隊(duì)形的過(guò)程。這一過(guò)程中,約束條件有很多類(lèi)型: 1) 能耗最少; 2) 集結(jié)時(shí)間最短; 3) 避開(kāi)障礙物和威脅; 4) 無(wú)人機(jī)之間的安全距離; 5) 各無(wú)人機(jī)的轉(zhuǎn)彎速度上下限; 6) 無(wú)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(lèi)型,無(wú)人機(jī)可以編成各式隊(duì)形展開(kāi)飛行作戰(zhàn)任務(wù)[6]。能耗是一個(gè)系統(tǒng)性因素,在任務(wù)危險(xiǎn)程度不高,比如航跡區(qū)域安全時(shí),可以在這個(gè)方面要求高一點(diǎn)。當(dāng)然如果出現(xiàn)威脅無(wú)人機(jī)安全的情況,可以不太強(qiáng)調(diào)這方面的約束。時(shí)間也是一個(gè)很重要的約束條件,因?yàn)楹芏鄷r(shí)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(shí),集結(jié)時(shí)間的要求會(huì)十分嚴(yán)格,因?yàn)樽鲬?zhàn)時(shí)機(jī)可能就只有很短的一段時(shí)間。編隊(duì)集結(jié)過(guò)程中,編隊(duì)也可能會(huì)遇到特殊空情或障礙,這時(shí)需要對(duì)編隊(duì)內(nèi)所有無(wú)人機(jī)重新進(jìn)行航跡規(guī)劃,以避開(kāi)潛在威脅。不同隊(duì)形的氣動(dòng)效應(yīng)不盡相同,編隊(duì)內(nèi)各無(wú)人機(jī)所受到氣動(dòng)干擾也不相同,無(wú)人機(jī)飛行參數(shù)的設(shè)定也會(huì)相應(yīng)不同,所采取的防碰撞策略也會(huì)相應(yīng)不同,以避免無(wú)人機(jī)相互碰撞和保持編隊(duì)隊(duì)形。編隊(duì)轉(zhuǎn)彎時(shí),各機(jī)的轉(zhuǎn)彎速度應(yīng)控制好,不然不僅無(wú)法保持編隊(duì)隊(duì)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(wú)人機(jī)的航線,對(duì)計(jì)算精度和時(shí)間的要求較高,特別是遇到緊急情況時(shí)。由于無(wú)人機(jī)飛行速度很快,對(duì)于通信的要求也相應(yīng)較高,必須保證通信暢通。

編隊(duì)集結(jié)有兩種形式:一是作戰(zhàn)任務(wù)下達(dá)時(shí),所有無(wú)人機(jī)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)從各自機(jī)場(chǎng)向預(yù)定目標(biāo)區(qū)域集結(jié);二是作戰(zhàn)任務(wù)完成時(shí),所有無(wú)人機(jī)向各自基地返行,如果有多架無(wú)人機(jī)向同一個(gè)基地返行時(shí),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(duì)就進(jìn)入編隊(duì)保持階段,保持編隊(duì)隊(duì)形向預(yù)定作戰(zhàn)目標(biāo)飛行。

3.2 編隊(duì)保持

編隊(duì)保持是指編隊(duì)飛行過(guò)程中,如何調(diào)整各個(gè)無(wú)人機(jī)的飛行參數(shù),以保持編隊(duì)隊(duì)形不變。這是一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)整的過(guò)程,對(duì)任務(wù)執(zhí)行十分重要,如需對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確定位打擊時(shí),編隊(duì)隊(duì)形的保持就顯得尤為重要,如果隊(duì)形不能保持,會(huì)影響定位精度。編隊(duì)保持過(guò)程中有三個(gè)主要約束條件: 1) 有效避開(kāi)障礙物和威脅區(qū)域; 2) 避免無(wú)人機(jī)之間碰撞; 3) 編隊(duì)內(nèi)通信需要保障; 4) 要考慮無(wú)人機(jī)之間的氣動(dòng)效應(yīng)。

編隊(duì)因任務(wù)要求往往要保持其在隊(duì)列中的相對(duì)位置基本不變。一般的保持策略是編隊(duì)中的每架無(wú)人機(jī)保持與隊(duì)列中約定點(diǎn)的相對(duì)位置不變,而當(dāng)這個(gè)約定點(diǎn)是領(lǐng)航機(jī)的時(shí)候,這個(gè)保持策略就稱(chēng)為領(lǐng)航-跟隨者(Leader-Follower)策略[7]。在陣形保持過(guò)程中,可能會(huì)因一些干擾因素引起擾動(dòng),防止沖突策略就是要避免在擾動(dòng)下可能發(fā)生的碰撞和信息交互中的阻塞。無(wú)人機(jī)組要保持一定的隊(duì)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(diǎn)、優(yōu)勢(shì)和適用場(chǎng)景。

1) 集中式控制策略

在集中式控制策略中,編隊(duì)中每架無(wú)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(duì)內(nèi)所有無(wú)人機(jī),因而編隊(duì)內(nèi)每一架無(wú)人機(jī)都知道整個(gè)編隊(duì)隊(duì)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(shí)由于信息交互量巨大,對(duì)機(jī)載計(jì)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(duì)內(nèi)每架無(wú)人機(jī)要只與相鄰的無(wú)人機(jī)交互各自的飛行參數(shù)。在這種情況下,每一架無(wú)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(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單,控制算法也不會(huì)很復(fù)雜,當(dāng)然控制效果相對(duì)集中式控制來(lái)說(shuō)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(duì)控制策略了,其基本思想是在編隊(duì)中選擇一架無(wú)人機(jī)作為領(lǐng)航者,其余無(wú)人機(jī)均作為跟隨者,參照領(lǐng)航者的位置來(lái)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(duì)位置不變,從而達(dá)到保持編隊(duì)隊(duì)形的目的。最為簡(jiǎn)單的領(lǐng)航-跟隨者模型是編隊(duì)內(nèi)所有無(wú)人機(jī)均以同一個(gè)領(lǐng)航者以參照。這樣由于每架無(wú)人機(jī)只需要跟隨領(lǐng)航者調(diào)整自己的飛行參數(shù),計(jì)算量小,控制簡(jiǎn)單。但缺點(diǎn)也顯而易見(jiàn),如果領(lǐng)航者故障或損壞,編隊(duì)將完全無(wú)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(wú)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(wú)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(duì)位置不變,而f4、f5則分別跟隨f2、f4,它們可以組成若干個(gè)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(shí),可以很好地兼容擴(kuò)充。這樣雖然無(wú)法完全克服領(lǐng)航者問(wèn)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(duì)中找一個(gè)虛擬的固定點(diǎn)作為虛擬的領(lǐng)航者,所有的無(wú)人機(jī)都保持相對(duì)于虛擬領(lǐng)航者的位置不變。虛擬領(lǐng)航者在編隊(duì)中的位置是根據(jù)編隊(duì)隊(duì)形計(jì)算出來(lái)的,編隊(duì)飛行過(guò)程中,所有無(wú)人機(jī)都跟蹤虛擬領(lǐng)航者的狀態(tài),并動(dòng)態(tài)地調(diào)整飛行動(dòng)態(tài),以保持編隊(duì)隊(duì)形[8]。當(dāng)編隊(duì)內(nèi)有無(wú)人機(jī)因故需要退出編隊(duì)時(shí),編隊(duì)內(nèi)其它無(wú)人機(jī)會(huì)根據(jù)一定算法替補(bǔ)上,以保持編隊(duì)隊(duì)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(shí)際的無(wú)人機(jī),不存在其會(huì)損毀或故障的問(wèn)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(duì)無(wú)法運(yùn)行”的問(wèn)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(lái)的,其飛行參數(shù)很可能是數(shù)字模擬的,如果計(jì)算精度和算法性能不夠好的話,很可能在編隊(duì)轉(zhuǎn)彎時(shí)出現(xiàn)差錯(cuò),因?yàn)檫@時(shí)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(duì)所有無(wú)人機(jī)跟隨出現(xiàn)異常情況,使編隊(duì)隊(duì)形無(wú)法保持。因而在這種策略下,有必要設(shè)計(jì)一個(gè)好的轉(zhuǎn)彎模型,以防出現(xiàn)異常情況。

表1對(duì)這三種控制策略進(jìn)行了對(duì)比,可以很直觀地看到各自的優(yōu)缺點(diǎn),在設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)編隊(duì)時(shí),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(duì)保持控制策略對(duì)比

3.3 編隊(duì)重組

編隊(duì)重組是指編隊(duì)飛行過(guò)程中,部分無(wú)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(shí),需要暫時(shí)離開(kāi)編隊(duì),此時(shí)編隊(duì)隊(duì)形需要重新生成的情形。與編隊(duì)集結(jié)一樣,編隊(duì)重組也要考慮各種約束條件: 1) 重組時(shí)間最短; 2) 避免無(wú)人機(jī)之間碰撞; 3) 通信保障條件變化; 4) 無(wú)人機(jī)之間的氣動(dòng)干擾;5)能耗最少等。

從編隊(duì)重組場(chǎng)景的角度來(lái)看,編隊(duì)重組問(wèn)題可以分為以下三種類(lèi)型。

1) 平衡編隊(duì)的燃油消耗。

由于空氣動(dòng)力學(xué)的影響,使用領(lǐng)航-跟隨者策略進(jìn)行編隊(duì)飛行時(shí),跟隨者會(huì)比領(lǐng)航者節(jié)省燃油。為平衡編隊(duì)各無(wú)人機(jī)之間的燃油消耗,可以在編隊(duì)飛行過(guò)程中各無(wú)人機(jī)輪流充當(dāng)領(lǐng)航者?？梢詤⒄沼?jì)算機(jī)系統(tǒng)中的任務(wù)調(diào)度策略,讓編隊(duì)內(nèi)所有無(wú)人機(jī)在不同的時(shí)候輪流做編隊(duì)領(lǐng)航者。最簡(jiǎn)單的方法就是時(shí)間片輪轉(zhuǎn),每隔一段時(shí)間,定期地切換領(lǐng)航者。與計(jì)算機(jī)一樣,切換本身也會(huì)增加燃油消耗,因此要控制好切換的頻率,以保持編隊(duì)執(zhí)勤效率?？紤]全面一點(diǎn),可以依據(jù)每架無(wú)人機(jī)的飛行情況,來(lái)選擇領(lǐng)航者,如燃料最多者或最輕者或領(lǐng)航時(shí)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(duì)飛行過(guò)程中,當(dāng)遇到障礙物并且當(dāng)前隊(duì)形無(wú)法正常通過(guò)時(shí),就需要改變編隊(duì)隊(duì)形以保證所有無(wú)人機(jī)能夠安全通過(guò)障礙物。比如,當(dāng)三角形狀的長(zhǎng)僚機(jī)編隊(duì)遇到障礙物并且直接無(wú)法通過(guò)時(shí),可以命令僚機(jī)依次跟隨在長(zhǎng)機(jī)之后,將隊(duì)形變成線形隊(duì)形,依次通過(guò)障礙區(qū)即可。通過(guò)障礙物之后,再令編隊(duì)恢復(fù)原來(lái)的隊(duì)形。當(dāng)然,也可以根據(jù)計(jì)算機(jī)離散數(shù)學(xué)圖論理論,將當(dāng)前編隊(duì)隊(duì)形視作一個(gè)剛性大圖,在遇到障礙物時(shí),將編隊(duì)分離成幾個(gè)小的編隊(duì),每個(gè)小的編隊(duì)分別是一個(gè)剛性小圖。越過(guò)障礙后,再合并成原隊(duì)形。這個(gè)過(guò)程中,也要考慮編隊(duì)執(zhí)勤的效率,因?yàn)楦餍【庩?duì)在重組一個(gè)大編隊(duì)時(shí),需要考慮的因素也很多。

3) 編隊(duì)中部分無(wú)人機(jī)故障或損毀

當(dāng)編隊(duì)中部分無(wú)人機(jī)無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)時(shí),編隊(duì)重組可以分為兩種形式:一是尋找替代無(wú)人機(jī)頂替,繼續(xù)保持原隊(duì)形執(zhí)行任務(wù);二是編隊(duì)變形成全新的隊(duì)形,繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。替代無(wú)人機(jī)可以參照仿生學(xué),依照鳥(niǎo)類(lèi)飛行規(guī)律,由最后的無(wú)人機(jī)來(lái)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(wú)人機(jī)來(lái)填補(bǔ),這樣可以大大提高編隊(duì)飛行效率[9]。而當(dāng)損失達(dá)到一定程度,編隊(duì)需要變換成全新隊(duì)形,以繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。這時(shí)需要使用一些高效的算法來(lái)使編隊(duì)迅速組成新隊(duì)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(duì)隊(duì)形,從而充分發(fā)揮我方編隊(duì)的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行研究涉及了許多領(lǐng)域,如仿生學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、自動(dòng)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(gè)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(duì)無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行的研究已經(jīng)取得了不少研究成果,但距離真正的無(wú)人機(jī)編隊(duì)自主飛行還很遠(yuǎn)。對(duì)無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行的研究應(yīng)繼續(xù)深入對(duì)編隊(duì)內(nèi)部無(wú)人機(jī)之間的協(xié)同機(jī)制[10]的研究,由于編隊(duì)中每個(gè)無(wú)人機(jī)只是依賴(lài)有限或局部的信息進(jìn)行決策,因而在一些特定情況下,無(wú)人機(jī)之間的控制決策有可能發(fā)生沖突,特別是編隊(duì)規(guī)模變大之后。這時(shí)就需要一個(gè)有效的協(xié)同機(jī)制來(lái)排除潛在沖突,而現(xiàn)有的這方面的研究還相對(duì)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(jí)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