編隊(duì)無(wú)人機(jī)控制方法研究

隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，無(wú)人飛機(jī)慢慢的被人們重視了起來(lái)，它相對(duì)于載人飛機(jī)而言擁有很多優(yōu)勢(shì)，例如體積小，使用方便，成本低廉，生存和隱蔽能力強(qiáng)，可保證操作人員生命安全等。所以在特定的場(chǎng)合，它已經(jīng)取代載人飛機(jī)，執(zhí)行一些探查，跟蹤，電子對(duì)抗和協(xié)助軍事打擊等一系列任務(wù)，在民用范疇，它也逐漸被開(kāi)發(fā)于勘探地形，搶險(xiǎn)救災(zāi)，噴灑農(nóng)藥和環(huán)境保護(hù)等等方面。目前世界各國(guó)都在著力于研發(fā)更加成熟和高效的無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用，無(wú)人機(jī)編隊(duì)的發(fā)展也日益迅猛。

然而，隨著任務(wù)復(fù)雜度的日益增長(zhǎng)，對(duì)無(wú)人機(jī)的要求也越來(lái)越高，單個(gè)無(wú)人機(jī)在很多時(shí)候都不適合這種任務(wù)變化，設(shè)備偶然損壞，工作區(qū)間狹小，載重量不高和執(zhí)行任務(wù)單一等等問(wèn)題不斷制約著單個(gè)無(wú)人機(jī)的發(fā)展。而解決這些問(wèn)題的最簡(jiǎn)單的方法就是采用多個(gè)無(wú)人機(jī)進(jìn)行編隊(duì)共同執(zhí)行任務(wù)，就像自然界中的大雁南飛一樣。這樣無(wú)人機(jī)之間可以進(jìn)行技術(shù)互補(bǔ)，飛行范圍和工作多樣性都進(jìn)行了大大的提高，如果其中一兩個(gè)無(wú)人機(jī)出現(xiàn)了故障，也不會(huì)影響到整體無(wú)人機(jī)的任務(wù)目標(biāo)，其余無(wú)人機(jī)仍然可以繼續(xù)完成任務(wù)，從而減少因偶然故障因素帶來(lái)的任務(wù)失敗風(fēng)險(xiǎn)。因此，專家們逐漸注意到了無(wú)人機(jī)編隊(duì)這一研究方向，希望通過(guò)編隊(duì)飛行的方式來(lái)減少這方面的風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過(guò)一系列研究發(fā)現(xiàn)，編隊(duì)飛行時(shí)由于飛機(jī)之間的相互氣流作用，可以有效地減少行進(jìn)間所受到的空氣阻力，從而減少飛行過(guò)程中的能量消耗。此外，當(dāng)無(wú)人機(jī)在相對(duì)密集的隊(duì)形之下，雷達(dá)觀測(cè)屏上只能檢測(cè)到無(wú)人機(jī)存在的信號(hào)，并不會(huì)展現(xiàn)出每一架無(wú)人機(jī)的具體信息，因此，這樣做能夠在軍事戰(zhàn)爭(zhēng)中大大的干擾敵方指揮官的作戰(zhàn)判斷，實(shí)現(xiàn)出奇制勝的戰(zhàn)略意圖。

美國(guó)是現(xiàn)今社會(huì)公認(rèn)的無(wú)人機(jī)強(qiáng)國(guó)，也是最早研究無(wú)人機(jī)并將其應(yīng)用于軍事領(lǐng)域國(guó)家之一。近些年以美國(guó)為主導(dǎo)的局部戰(zhàn)爭(zhēng)之中不難看出，美國(guó)已經(jīng)發(fā)展出了有關(guān)于無(wú)人機(jī)的多種戰(zhàn)術(shù)體系，成為了無(wú)人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，其國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)型號(hào)琳瑯滿目，各有所長(zhǎng)，是當(dāng)今無(wú)人機(jī)界的教科書(shū)級(jí)范例，這其中就數(shù)掠食者無(wú)人偵察機(jī)和全球鷹軍用無(wú)人機(jī)最為人所知，他們?cè)诤硲?zhàn)爭(zhēng)、科索沃和伊拉克等等戰(zhàn)爭(zhēng)中表現(xiàn)出眾，為最后的勝利打下了堅(jiān)實(shí)的信息基礎(chǔ)。此外，以色列、俄羅斯和一些其他歐洲國(guó)家也有著豐富的無(wú)人機(jī)種類，它們各有所長(zhǎng)，在此不再——贅述。

中國(guó)無(wú)人機(jī)發(fā)展歷史比較坎坷，大部分無(wú)人機(jī)都是仿照國(guó)外無(wú)人機(jī)制作出來(lái)的，例如長(zhǎng)空一號(hào)、長(zhǎng)虹一號(hào)等等，同時(shí)，中國(guó)也從國(guó)外引進(jìn)了一些無(wú)人機(jī)如哈比無(wú)人機(jī)等，這都大大促進(jìn)了中國(guó)無(wú)人機(jī)事業(yè)的發(fā)展。雖然目前無(wú)人機(jī)事業(yè)發(fā)展日益迅猛，但是距離世界前沿水平還有一定的距離。

本文主要從兩個(gè)方面探討無(wú)人機(jī)控制，第一種是同步控制分析。我們研究無(wú)人機(jī)的編隊(duì)飛行控制的方向是讓無(wú)人機(jī)在飛行或者是在執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中保持期望的隊(duì)形。首先，無(wú)人機(jī)機(jī)群的目標(biāo)機(jī)群位置和他們的當(dāng)前機(jī)群的位置存在一些位置誤差，我們的目標(biāo)就是利用這個(gè)誤差，通過(guò)相關(guān)的數(shù)值運(yùn)算來(lái)獲得各個(gè)無(wú)人機(jī)的矯正命令，以期通過(guò)矯正命令來(lái)讓無(wú)人機(jī)機(jī)群達(dá)到期望速度。然后將這些期望的速度傳給相應(yīng)的編隊(duì)無(wú)人機(jī)，編隊(duì)無(wú)人機(jī)收到速度的指令后通過(guò)控制各自的速度，飛向各個(gè)無(wú)人機(jī)的期望位置，進(jìn)而保證整個(gè)無(wú)人機(jī)編隊(duì)的隊(duì)形保持。

第二種是主從控制分析。對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行編隊(duì)控制的主要目的，其實(shí)就是想讓編隊(duì)無(wú)人機(jī)在完成各自所執(zhí)行的任務(wù)的同時(shí)，保持它們的穩(wěn)定隊(duì)形，以一個(gè)穩(wěn)定高效的隊(duì)形完成各種需要。那么為了達(dá)成這個(gè)目標(biāo)，首先就要選定一個(gè)作為領(lǐng)頭羊的主機(jī)進(jìn)行領(lǐng)隊(duì)工作，其余的無(wú)人飛行器跟隨主機(jī)在空中編隊(duì)飛行，也就是僚機(jī)。這樣就可以通過(guò)控制主機(jī)的期望位置來(lái)控制三個(gè)乃至更多的編隊(duì)無(wú)人機(jī)機(jī)群期望位置，通過(guò)控制主機(jī)與僚機(jī)之間的相對(duì)位置來(lái)控制無(wú)人機(jī)機(jī)群的隊(duì)形，以此來(lái)控制編隊(duì)無(wú)人機(jī)的編隊(duì)飛行。

上面提到的這兩種無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行控制策略，雖然最后都可以讓三個(gè)無(wú)人機(jī)編隊(duì)機(jī)群保持不變的隊(duì)形進(jìn)行飛行，但是仍有兩點(diǎn)不同：

（1）這兩種無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行控制策略的可操作難度有所不同。第一種同步控制策略必須先確定一個(gè)期望的無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行隊(duì)形，這個(gè)無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行隊(duì)形需要用到一個(gè)超橢圓方程來(lái)進(jìn)行描述。如果方程取的不相同的參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，相應(yīng)的，就會(huì)得到不相同的無(wú)人飛行器的飛行隊(duì)形。因此就能使無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行的隊(duì)形變得更加的靈活而方便操控，我們只需要改變相應(yīng)的超橢圓的參數(shù)，就可以根據(jù)實(shí)際情況的需要，得到不同的無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行隊(duì)形。但是另一種編隊(duì)飛行控制策略，即基于主一從結(jié)構(gòu)的編隊(duì)飛行控制策略，因?yàn)樗年?duì)形取決于每個(gè)無(wú)人機(jī)相對(duì)主機(jī)的方向和距離，所以想要進(jìn)行隊(duì)形的變換就會(huì)比較麻煩，不容易在實(shí)際情況中做出改變，因而不易進(jìn)行操控。

（z）這兩種無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行控制策略的容錯(cuò)率不同。同步控制策略中，如果其中的某一些編隊(duì)無(wú)人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中因損壞而停止工作，因?yàn)榫S持整個(gè)隊(duì)形并不取決于任何單一的無(wú)人機(jī)狀態(tài)，所以編隊(duì)無(wú)人機(jī)機(jī)群就可以按照期望隊(duì)形向前飛行。但是另一種無(wú)人機(jī)控制策略，即基于主一從結(jié)構(gòu)的編隊(duì)控制策略，如果主機(jī)在執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中發(fā)生了故障，那么整個(gè)無(wú)人機(jī)編隊(duì)機(jī)群將產(chǎn)生干擾，無(wú)法保持原有的無(wú)人機(jī)編隊(duì)隊(duì)形繼續(xù)飛行。

其實(shí)，基于主一從結(jié)構(gòu)的無(wú)人飛行器編隊(duì)飛行策略也有它的好處，比如它能夠在不影響其它的僚機(jī)的同時(shí)，隨意地改變主機(jī)與僚機(jī)之間的相對(duì)距離，也可以在執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中隨時(shí)加入一些其他的新的僚機(jī)，而且它的控制器設(shè)計(jì)相對(duì)于同步編隊(duì)控制策略更加簡(jiǎn)潔直觀，方便讓人理解。

目前人工智能高速發(fā)展，智能機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，相信用不了多久，就能應(yīng)用到編隊(duì)無(wú)人機(jī)的使用當(dāng)中，從而讓編隊(duì)無(wú)人機(jī)更好的為我們服務(wù)。

作者簡(jiǎn)介：趙銀申（1994.11-），籍貫：河北香河，工作省市：吉林省雙遼市，省市郵編：136400，學(xué)歷：大學(xué)本科，專業(yè)研究方向：飛行管制。