一種多無人機(jī)協(xié)同方法及其性能分析

徐勝紅，曹文靜，李文強(qiáng)

(海軍航空工程學(xué)院 控制工程系，山東 煙臺 264001)

【信息科學(xué)與控制工程】

一種多無人機(jī)協(xié)同方法及其性能分析

徐勝紅，曹文靜，李文強(qiáng)

(海軍航空工程學(xué)院 控制工程系，山東 煙臺 264001)

多無人機(jī)協(xié)同執(zhí)行任務(wù)能夠提升無人機(jī)的作戰(zhàn)效能和生存性，而協(xié)同方法是協(xié)同的基礎(chǔ)。針對現(xiàn)有無人機(jī)協(xié)同方法在實際應(yīng)用中的缺陷，將工作流理論引入多無人機(jī)協(xié)同，提出了基于工作流的多無人機(jī)協(xié)同方法?；诠ぷ髁鞯亩酂o人機(jī)協(xié)同方法通過預(yù)先設(shè)定無人機(jī)的工作流，將無人機(jī)的自主行為限定在一定的范圍內(nèi)，通過同步所有參與協(xié)同的無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)的步調(diào)和戰(zhàn)場態(tài)勢，保證了協(xié)同決策和決策結(jié)果的一致性，從而達(dá)到無需協(xié)商決策結(jié)果，而實現(xiàn)協(xié)同的目的。與現(xiàn)有多無人機(jī)協(xié)同方法的性能進(jìn)行了分析比較，結(jié)果表明，基于工作流的多無人機(jī)協(xié)同方法的協(xié)同時間更穩(wěn)定。

無人機(jī)；協(xié)同方法；工作流

在復(fù)雜多變的信息化戰(zhàn)場環(huán)境下，單個無人機(jī)執(zhí)行偵察或攻擊等任務(wù)時面臨偵察角度和范圍、殺傷半徑和摧毀能力等諸方面的限制，制約了作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。多無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)是根據(jù)作戰(zhàn)目的，組織多無人機(jī)協(xié)同實施作戰(zhàn)行動，對敵目標(biāo)進(jìn)行協(xié)同搜索、跟蹤、攻擊和防御，其中，多無人機(jī)間的有效協(xié)同是提升整體作戰(zhàn)效能的關(guān)鍵，而協(xié)同方法是協(xié)同的基礎(chǔ)。因此，協(xié)同方法是研究多無人機(jī)協(xié)同執(zhí)行任務(wù)的最重要的內(nèi)容。

目前，多無人機(jī)協(xié)同執(zhí)行任務(wù)過程中所采用的協(xié)同方法主要有：基于地面控制站的協(xié)同方法[1,2]、基于中心節(jié)點的協(xié)同方法[3]、基于多無人機(jī)間協(xié)商的協(xié)同方法[4-8]。

1 現(xiàn)有多無人機(jī)協(xié)同方法的局限性

基于地面控制站的協(xié)同方法，由地面控制站進(jìn)行協(xié)同決策和控制，其過程是無人機(jī)將感知到的戰(zhàn)場態(tài)勢實時傳回地面控制站，地面控制站根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢，決策各無人機(jī)的行動，并遙控和指揮各無人機(jī)完成各自的任務(wù)，因此，這種由地面控制站決策和控制的協(xié)同行為，并不是無人機(jī)間直接的協(xié)同。當(dāng)無人機(jī)需要遠(yuǎn)離地面控制站協(xié)同執(zhí)行任務(wù)時，這種基于地面控制站的協(xié)同方法不再適用；另外，這種方法需要無人機(jī)傳遞戰(zhàn)場態(tài)勢信息給地面控制站，由地面控制站決策后，才將決策和控制信息傳回給各無人機(jī)，這往往會導(dǎo)致無人機(jī)的決策和行動延遲，難以跟上戰(zhàn)場態(tài)勢的迅速發(fā)展，從而限制了整體作戰(zhàn)效能的提升。

基于中心節(jié)點的協(xié)同方法，選擇參與協(xié)同的無人機(jī)中的一個無人機(jī)作為中心節(jié)點，所有無人機(jī)感知到的戰(zhàn)場態(tài)勢都傳遞給中心節(jié)點，由中心節(jié)點決策，并指揮與控制所有其他無人機(jī)的行為。這種方法不需要地面控制站，但在戰(zhàn)場環(huán)境下，可能會頻繁發(fā)生中心節(jié)點失效或被擊落的情況，導(dǎo)致增加大量重新選擇中心節(jié)點的時間，從而嚴(yán)重延遲了決策時機(jī)以及無人機(jī)的反應(yīng)時間，難以實現(xiàn)有效的協(xié)同。

基于多無人機(jī)間協(xié)商的協(xié)同方法，每個無人機(jī)都有一定的自主能力和決策能力，各無人機(jī)根據(jù)自身掌握的局部戰(zhàn)場態(tài)勢，進(jìn)行決策，然后，多無人機(jī)間就決策結(jié)果進(jìn)行協(xié)商，協(xié)商一致后才實施行動，完成協(xié)同。在這種方法中，由于各無人機(jī)掌握的局部戰(zhàn)場態(tài)勢存在差異，且存在著利益差別，因此，為維護(hù)各自的利益，不同決策者作出的決策結(jié)果可能不一致甚至沖突，這時還需要多無人機(jī)間進(jìn)行決策結(jié)果的協(xié)商，以消除矛盾和沖突。這種協(xié)同方法主要存在協(xié)商時間過長，有時甚至難以達(dá)成一致目標(biāo)的問題，影響到?jīng)Q策和協(xié)同的及時性。

2 基于工作流的多無人機(jī)協(xié)同方法的基本思想

為了克服現(xiàn)有多無人機(jī)協(xié)同方法的不足，需要既保證無人機(jī)具有一定的自主性，又避免對決策結(jié)果的進(jìn)一步協(xié)商?？紤]到無人機(jī)上信息處理和分發(fā)不受能源限制的特點，本研究提出如下的決策方法，即：設(shè)任意無人機(jī)都能決策，對于同一個事件的決策，只要采用的決策方法相同，以及決策輸入的處理數(shù)據(jù)相同，則產(chǎn)生的決策結(jié)果也相同。也就是

Y=F(X)

其中：X為決策的輸入數(shù)據(jù)；F代表決策方法；Y為決策結(jié)果。若對于任意參與協(xié)同的無人機(jī)，F(xiàn)相同，X相同，則Y也是相同的，且不需在無人機(jī)間協(xié)商和共享Y。

無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)過程中，一般都會包括多次不同的決策，為了保證所有參與協(xié)同的無人機(jī)的F及X相同，需要以下3個條件：

1) 所有參與協(xié)同的無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)的過程和步調(diào)相同，從而保證決策事件是相同的；

2) 針對同一決策事件，采用的決策方法F相同；

3) 針對同一決策事件，進(jìn)行協(xié)同決策前，所有參與協(xié)同的無人機(jī)的決策輸入數(shù)據(jù)是相同的。

為了滿足以上3個條件，本研究將工作流理論引入多無人機(jī)協(xié)同方法中。

工作流，就是為實現(xiàn)某一特定目標(biāo)而必須完成的一些任務(wù)的序列及執(zhí)行過程，它包括一組活動及其相互間的順序關(guān)系，包括活動的啟動和終止條件，以及對每個活動的描述。

工作流管理就是將現(xiàn)實世界中的業(yè)務(wù)過程轉(zhuǎn)化為某種形式，并在此形式表示的驅(qū)動下完成工作流的執(zhí)行和管理。

基于工作流的多無人機(jī)協(xié)同方法需要采取以下措施來滿足以上3個條件：

1) 為了保證所有參與協(xié)同的無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)的過程和步調(diào)相同，需要在開始協(xié)同前，設(shè)置相同的工作流；

2) 為了保證針對同一決策事件，采用的決策方法F相同，需要在開始協(xié)同前，針對特定的決策活動，設(shè)置相同的決策方法；

3) 為了保證針對同一決策事件，進(jìn)行協(xié)同決策前，所有參與協(xié)同的無人機(jī)決策輸入的數(shù)據(jù)是相同的，需要在開始協(xié)同前，設(shè)置相同的無人機(jī)決策輸入數(shù)據(jù)，并在協(xié)同決策前，同步無人機(jī)決策輸入數(shù)據(jù)，使其保持一致。

在基于工作流的多無人機(jī)協(xié)同方法中，主要包括2個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計：工作流和決策輸入數(shù)據(jù)。

1) 工作流的設(shè)計。將工作流包括的活動分為2類，一類是協(xié)同決策，另一類是單機(jī)任務(wù)執(zhí)行。在執(zhí)行協(xié)同決策類活動時，首先通過無人機(jī)之間的直接通信和信息交換，來同步所有參與協(xié)同的無人機(jī)的決策輸入數(shù)據(jù)，確保決策輸入數(shù)據(jù)一致后，才能進(jìn)行決策；在執(zhí)行協(xié)同決策類活動時，與本無人機(jī)相關(guān)的任何決策輸入數(shù)據(jù)不再改變。

2) 決策輸入數(shù)據(jù)的設(shè)計。設(shè)計無人機(jī)決策輸入數(shù)據(jù)為戰(zhàn)場態(tài)勢，包括如下信息：本無人機(jī)的編號、飛行狀態(tài)、作戰(zhàn)能力狀態(tài)、當(dāng)前活動狀態(tài)、以及相應(yīng)狀態(tài)產(chǎn)生的時刻；所有其他參與協(xié)同的無人機(jī)的編號、飛行狀態(tài)、作戰(zhàn)能力狀態(tài)、當(dāng)前活動狀態(tài)、以及相應(yīng)狀態(tài)產(chǎn)生的時刻；所有敵方目標(biāo)的狀態(tài)、以及檢測到該狀態(tài)的時刻和無人機(jī)編號。由于在執(zhí)行協(xié)同決策活動時，與本無人機(jī)相關(guān)的任何決策輸入數(shù)據(jù)不再改變，因此，當(dāng)所有無人機(jī)的當(dāng)前活動狀態(tài)均為相同的協(xié)同決策活動，說明戰(zhàn)場態(tài)勢中的其他信息達(dá)到了一致。

3 基于工作流的多無人機(jī)協(xié)同方法的工作流程

基于工作流的多無人機(jī)協(xié)同方法的協(xié)同步驟設(shè)計如下：

步驟1 所有參與協(xié)同的無人機(jī)在起飛或發(fā)射前，即開始協(xié)同之前，設(shè)置相同的工作流、決策方法和戰(zhàn)場態(tài)勢；

步驟2 開始協(xié)同后，工作流管理設(shè)備執(zhí)行活動的遷移，并判斷當(dāng)前活動的類型；

步驟2.1 如果當(dāng)前活動是協(xié)同決策類型，則通過接收器接收信號；

步驟2.1.1 如果沒有接收到信號，進(jìn)入步驟2.1.4；

步驟2.1.2 如果接收到信號，且接收到的信號至少部分反映了較新的戰(zhàn)場態(tài)勢，則將其中的較新信息融合至本無人機(jī)存儲的戰(zhàn)場態(tài)勢中，進(jìn)入步驟2.1.4；

步驟2.1.3 如果接收到信號，且接收到的信號完全不能反映較新的戰(zhàn)場態(tài)勢，則進(jìn)入步驟2.1.4；

步驟2.1.4 分析本無人機(jī)存儲的戰(zhàn)場態(tài)勢，判斷是否所有參與協(xié)同的無人機(jī)均處于相同的協(xié)同決策活動狀態(tài)；

步驟2.1.4.1 如果所有參與協(xié)同的無人機(jī)的當(dāng)前活動狀態(tài)均為相同的協(xié)同決策活動，說明戰(zhàn)場態(tài)勢是相同的，則進(jìn)入步驟2.1.5；

步驟2.1.4.2 如果所有參與協(xié)同的無人機(jī)的當(dāng)前活動狀態(tài)不是相同的協(xié)同決策活動，則發(fā)送本無人機(jī)存儲的戰(zhàn)場態(tài)勢，返回步驟2.1；

步驟2.1.5 依據(jù)本無人機(jī)存儲的戰(zhàn)場態(tài)勢進(jìn)行決策，決策過程可以描述為

Y=F(X)

其中：F為決策方法；X為戰(zhàn)場態(tài)勢；Y為決策結(jié)果。由于此刻決策方法F相同，所有參與協(xié)同的無人機(jī)存儲的戰(zhàn)場態(tài)勢X相同，因此，對于所有參與協(xié)同的無人機(jī)而言，決策產(chǎn)生的決策結(jié)果Y是相同的；決策完畢，返回步驟2繼續(xù)活動遷移；

步驟2.2 如果當(dāng)前活動是單機(jī)任務(wù)執(zhí)行類型，則依據(jù)決策結(jié)果和本無人機(jī)存儲的戰(zhàn)場態(tài)勢對本無人機(jī)的任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃，并控制本無人機(jī)相關(guān)設(shè)備執(zhí)行任務(wù)，任務(wù)執(zhí)行完畢，修改和維護(hù)本無人機(jī)存儲的戰(zhàn)場態(tài)勢中由于執(zhí)行任務(wù)而相應(yīng)變化的狀態(tài)，之后，返回步驟2繼續(xù)活動遷移。

在以上工作流程中，判斷接收到的信號是否反映較新戰(zhàn)場態(tài)勢的步驟為：

步驟1 分析接收到的信號所代表的一系列對象信息，包括：參與協(xié)同的無人機(jī)的編號、飛行狀態(tài)、作戰(zhàn)能力狀態(tài)、當(dāng)前活動狀態(tài)、以及相應(yīng)狀態(tài)產(chǎn)生的時刻；敵方目標(biāo)的狀態(tài)、以及檢測到該狀態(tài)的時刻和無人機(jī)編號；

步驟2 提取本無人機(jī)存儲的戰(zhàn)場態(tài)勢中的相應(yīng)對象信息，并逐條對比接收到的對象信息和戰(zhàn)場態(tài)勢中相應(yīng)的對象信息，哪個信息產(chǎn)生的時刻離目前更近，說明相應(yīng)的信息能代表較新的戰(zhàn)場態(tài)勢。

基于工作流的多無人機(jī)協(xié)同方法，其協(xié)同過程如圖1所示。

圖1 基于工作流的多無人機(jī)協(xié)同方法工作流程

4 性能分析

協(xié)同執(zhí)行任務(wù)的過程包括了2類活動：協(xié)同決策活動，單機(jī)執(zhí)行任務(wù)活動。其中，協(xié)同決策活動的耗時是衡量協(xié)同方法性能的主要指標(biāo)。

設(shè)一次協(xié)同決策時間記為T，則

T=TS+TDC+TDS

其中：TS代表感知信息傳送時間，即各無人機(jī)將感知到信息傳送給決策個體所需的時間；TDC代表決策時間，即基于接收到的感知信息，決策個體進(jìn)行決策所需的時間；TDS代表決策結(jié)果分發(fā)時間，即將決策結(jié)果分發(fā)和共享給各執(zhí)行個體的時間。

設(shè)n個無人機(jī)協(xié)同執(zhí)行任務(wù)，感知信息長度記為u1，決策信息長度記為u2，對無線信道的訪問采用TDMA協(xié)議，信道傳輸速率記為vtrans，下面分析各協(xié)同方法的一次協(xié)同決策時間。

1) 基于地面控制站的協(xié)同方法

隨著無人機(jī)與地面控制站距離d的變化，由于無法可靠接收可能導(dǎo)致信息的重復(fù)收發(fā)，從而引起無人機(jī)與地面控制站之間的信道有效傳輸速率vtrans降低，即

d→∞?vtrans→0?T→∞

因此，當(dāng)無人機(jī)協(xié)同執(zhí)行任務(wù)的區(qū)域距離地面控制站太遠(yuǎn)，則基于地面控制站的協(xié)同方法不再適用。

2) 基于中心節(jié)點的協(xié)同方法

隨著中心節(jié)點被擊落的概率p的變化，由于中心節(jié)點的變化導(dǎo)致無法可靠接收以及信息的重復(fù)收發(fā)，從而引起無人機(jī)與中心節(jié)點無人機(jī)之間的信道有效傳輸速率vtrans降低，即

p→1?vtrans→0?T→∞

因此，當(dāng)戰(zhàn)場環(huán)境惡劣，無人機(jī)被擊落的概率較大時，基于中心節(jié)點的協(xié)同方法協(xié)同時間難以控制。

3) 基于多無人機(jī)間協(xié)商的協(xié)同方法

T=TS+TDC+TDS=

其中：m代表了達(dá)到最終一致的決策結(jié)果所需的協(xié)商次數(shù)，m是不確定的，即T是不確定的。

因此，在基于多無人機(jī)間協(xié)商的協(xié)同方法中，由于各無人機(jī)決策結(jié)果的不一致，可能導(dǎo)致T是不可預(yù)測的。

4) 基于工作流的多無人機(jī)協(xié)同方法

在基于工作流的多無人機(jī)協(xié)同方法中，無人機(jī)之間的距離不會太遠(yuǎn)，因此，對vtrans的影響可忽略，且無需對決策結(jié)果進(jìn)行分發(fā)，因此，T是有限且確定的。

5 結(jié)束語

本研究針對現(xiàn)有多無人機(jī)協(xié)同方法的缺點，引入工作流理論，提出了基于工作流的多無人機(jī)協(xié)同方法。該方法和現(xiàn)有的協(xié)同方法相比，具有以下優(yōu)點：

1) 通過對所有參與協(xié)同的無人機(jī)預(yù)先設(shè)定相同的工作流，限定了無人機(jī)的活動，并通過同步各無人機(jī)的活動遷移，有效避免了由于無人機(jī)完全的自主性及多議題所帶來的協(xié)商復(fù)雜度高的問題；

2) 通過在協(xié)同決策前，同步戰(zhàn)場態(tài)勢，利用決策方法以及戰(zhàn)場態(tài)勢的一致性，保證決策結(jié)果的一致性，有效避免了由于決策結(jié)果不一致所帶來的問題。

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[3] 郭銘,閻昊,韋有平.移動自組網(wǎng)絡(luò)在無人機(jī)通信中的應(yīng)用研究[J].艦船電子工程,2008,28(6):59-62.

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[5] 韓健.基于多Agent的無人機(jī)協(xié)作控制[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

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(責(zé)任編輯 楊繼森)

Multi-UAV Cooperation Method and its Performance Analysis

XU Sheng-hong，CAO Wen-jing，LI Wen-qiang

(Department of Control Engineering, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, China)

Cooperation of multi-UAV could improve the combat effectiveness and survivability. Cooperation method is the base of cooperation. To overcome the practical weakness of the existing multi-UAV cooperation methods, work flow theory was applied to multi-UAV cooperation, and a workflow-based multi-UAV cooperation method was proposed. With the workflow-based multi-UAV cooperation method, specific work flow was preset for each UAV, which specified the activities and execution processes of UAV. By synchronizing all the UAVs’ activities and the battlefield situations stored in each UAV, the decision results of all the UAVs were the same. As a result, it is not necessary to negotiate decision results of UAVs further. Performance of the workflow-based multi-UAV cooperation method was analyzed. Results show that, compared with the existing multi-UAV methods, cooperation time of workflow-based mutli-UAV cooperation method is more stable.

UAV; cooperation method; work flow

2015-01-20

國家自然科學(xué)基金(61203168)；中國博士后科學(xué)基金(2011M500156；2013T60922)

徐勝紅(1974—)，男，博士，副教授，主要從事無人飛行器組網(wǎng)技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2015.08.025

徐勝紅，曹文靜，李文強(qiáng).一種多無人機(jī)協(xié)同方法及其性能分析[J].四川兵工學(xué)報，2015(8):100-103.

format:XU Sheng-hong，CAO Wen-jing，LI Wen-qiang.Multi-UAV Cooperation Method and its Performance Analysis[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(8):100-103.

TP393.4; TJ8

A

1006-0707(2015)08-0100-04