面向空地協(xié)同作戰(zhàn)的無人機(jī)-無人車異構(gòu)時(shí)變編隊(duì)跟蹤控制

周思全 化永朝 董希旺 李清東 任章

DOI：10.12132/ISSN.1673-5048.2019.0149

摘要：本文研究了無人機(jī)自主伴飛協(xié)同偵察技術(shù)中的異構(gòu)集群系統(tǒng)空地協(xié)同時(shí)變編隊(duì)跟蹤控制問題，要求多無人機(jī)與無人車在形成期望時(shí)變編隊(duì)構(gòu)型的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對領(lǐng)導(dǎo)者參考軌跡的跟蹤。首先，對無人機(jī)與無人車進(jìn)行單體運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)建模，并引入代數(shù)圖論概念，建立異構(gòu)集群系統(tǒng)的協(xié)同控制模型。然后，引入虛擬領(lǐng)導(dǎo)者刻畫編隊(duì)整體的運(yùn)動軌跡，并基于對虛擬領(lǐng)導(dǎo)者狀態(tài)的分布式觀測器，對各無人機(jī)-無人車構(gòu)造分布式編隊(duì)跟蹤控制器。進(jìn)一步分析異構(gòu)集群系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)變編隊(duì)跟蹤的可行性條件，給出編隊(duì)跟蹤控制器中各參數(shù)的選取方法。最后，給出了一個(gè)仿真例子來驗(yàn)證所設(shè)計(jì)控制器的有效性。

關(guān)鍵詞：異構(gòu)集群系統(tǒng);分布式控制;時(shí)變編隊(duì);跟蹤控制;武器協(xié)同技術(shù)

中圖分類號：TJ765;V279文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1673-5048（2019）04-0054-06

0引言

近年來，無人作戰(zhàn)系統(tǒng)作為改變未來戰(zhàn)爭模式的顛覆性技術(shù)裝備，在世界范圍內(nèi)得到飛速發(fā)展，已經(jīng)成為國家間軍事博弈的重要力量。面向未來作戰(zhàn)應(yīng)用需求，聚焦復(fù)雜區(qū)域反恐及城市巷戰(zhàn)等典型任務(wù)場景，以多無人機(jī)與多無人車組成的異構(gòu)無人集群系統(tǒng)具有重要的研究價(jià)值。無人機(jī)自主伴飛協(xié)同偵察技術(shù)即多架無人機(jī)作為地面?zhèn)刹燔囕v的“飛行慧眼”，在地面車輛周圍伴隨飛行。通過多無人機(jī)與地面車輛的交互協(xié)同和信息融合，提供抵近偵察及跨域感知能力，拓展地面?zhèn)刹燔囕v信息獲取的精度和維度，提升異構(gòu)集群系統(tǒng)的偵察效能。實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主伴飛協(xié)同偵察技術(shù)實(shí)戰(zhàn)化應(yīng)用涉及到異構(gòu)無人系統(tǒng)建模及拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)、分布式多源異構(gòu)信息融合以及異構(gòu)無人集群系統(tǒng)自主時(shí)變編隊(duì)控制等關(guān)鍵技術(shù)。

編隊(duì)控制是集群系統(tǒng)協(xié)同控制領(lǐng)域中的重要課題，通過調(diào)整各對象的相對陣位關(guān)系，使其形成特定構(gòu)型，以完成諸如協(xié)同偵察、探測等任務(wù)。考慮到實(shí)際應(yīng)用條件的復(fù)雜性和任務(wù)需求的多樣性，集群系統(tǒng)的編隊(duì)構(gòu)型往往不是固定不變的，需要系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際需求實(shí)時(shí)動態(tài)調(diào)整所形成的構(gòu)型，即時(shí)變編隊(duì)控制。

無人機(jī)與無人車是集群系統(tǒng)中最具有代表性的兩種對象，通過無人機(jī)與無人車的合理配合，可

以彌補(bǔ)單一類型對象的不足，有效提升協(xié)同作業(yè)效能。例如，在復(fù)雜地形條件的偵察中，偵察作戰(zhàn)車輛往往會因?yàn)橹苓叚h(huán)境中障礙物的遮擋而無法有效探測，甚至出現(xiàn)多車輛間的通信丟失，通過引入多架無人機(jī)進(jìn)行編隊(duì)控制，實(shí)現(xiàn)伴飛協(xié)同偵察，可以為地面車輛整體偵察決策提供大范圍環(huán)境信息，并可作為地面通信障礙時(shí)的通信中繼，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)集群系統(tǒng)的優(yōu)勢互補(bǔ)與協(xié)同配合。

由于無人機(jī)與無人車具有完全不同的物理結(jié)構(gòu)，其建立的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)模型也完全不同，且無人機(jī)在空中做三維運(yùn)動，無人車在地面做二維運(yùn)動，所以研究異構(gòu)集群系統(tǒng)的時(shí)變編隊(duì)跟蹤控制問題是解決包括空地協(xié)同在內(nèi)的跨介質(zhì)異構(gòu)協(xié)同的關(guān)鍵問題，具有重要的理論研究價(jià)值和工程意義。

目前，常見的編隊(duì)控制策略包括基于行為的、基于虛擬結(jié)構(gòu)的以及基于領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者的方法[1-3]。但是，領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者方法嚴(yán)重依賴于領(lǐng)導(dǎo)者的運(yùn)動，領(lǐng)導(dǎo)者的故障將會導(dǎo)致整個(gè)編隊(duì)的崩潰;基于行為的編隊(duì)方法依靠于定性的行為規(guī)則，難以建立整個(gè)系統(tǒng)的定量模型，無法保證整個(gè)系統(tǒng)編隊(duì)運(yùn)動的穩(wěn)定性;基于虛擬結(jié)構(gòu)的方法需要中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集中式控制，不能夠以分布式的形式實(shí)現(xiàn)。近年來，隨著一致性控制理論的發(fā)展與完善，基于一致性的編隊(duì)控制方法受到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注[4-8]。該方法僅利用鄰居節(jié)點(diǎn)的相對作用信息設(shè)計(jì)本地控制器，結(jié)構(gòu)簡單，具有較好的可擴(kuò)展性與自組織性，同時(shí)，該方法能夠在一定程度上克服傳統(tǒng)編隊(duì)控制方法的缺點(diǎn)。

但是，現(xiàn)有的基于一致性的編隊(duì)控制方法主要針對同構(gòu)集群系統(tǒng)，即要求具有完全相同的數(shù)學(xué)模型。由于無人機(jī)與無人車具有不同的動力學(xué)模型，并且狀態(tài)維度存在差異，已有的針對同構(gòu)集群系統(tǒng)的編隊(duì)控制方法難以直接應(yīng)用[9-13]。此外，現(xiàn)有方法大多只能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)不變編隊(duì)構(gòu)型，而在實(shí)際應(yīng)用中，為了應(yīng)對復(fù)雜的外部環(huán)境以及任務(wù)的變化，異構(gòu)集群系統(tǒng)需要能夠?qū)崟r(shí)動態(tài)調(diào)整自身的編隊(duì)隊(duì)形，因此，本文所提出的異構(gòu)時(shí)變編隊(duì)控制更具有工程應(yīng)用價(jià)值與一般性[14-16]。

統(tǒng)在形成期望的時(shí)變編隊(duì)構(gòu)型的同時(shí)，能夠跟蹤變編隊(duì)跟蹤控制方法，使得多無人機(jī)與無人車系

期望的參考航跡運(yùn)動。該控制方法的主要優(yōu)點(diǎn)如下：不同于現(xiàn)有的同構(gòu)集群固定編隊(duì)控制，該方法能夠應(yīng)對外部環(huán)境和系統(tǒng)任務(wù)的快速變化，實(shí)現(xiàn)由無人機(jī)與無人車組成的異構(gòu)集群系統(tǒng)的輸出時(shí)變編隊(duì)跟蹤，具有較強(qiáng)的靈活性和適用性;且該方法僅利用鄰居節(jié)點(diǎn)的相對作用信息設(shè)計(jì)分布式觀測器和編隊(duì)控制器，結(jié)構(gòu)簡單，具有較好的可擴(kuò)展性與自組織性，能夠有效提升控制效果，為實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主伴飛協(xié)同偵察提供了一種可行方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]BeardRW，LawtonJ，HadaeghFY.ACoordinationArchitectureforSpacecraftFormationControl[J].IEEETransactionsonControlSystemsTechnology，2001，9（6）：777-790.

[2]TakahashiH，NishiH，OhnishiK.AutonomousDecentralizedControlforFormationofMultipleMobileRobotsConsideringAbilityofRobot[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics，2004，51（6）：1272-1279.

[3]OhKK，ParkMC，AhnHS.ASurveyofMultiAgentFormationControl[J].Automatica，2015，53（c）：424-440.

[4]MengDY，JiaYM，DuJP，etal.OnIterativeLearningAlgorithmsfortheFormationControlofNonlinearMultiAgentSystems[J].Automatica，2014，50（1）：291-295.

[5]MaCQ，ZhangJF.OnFormabilityofLinearContinuousTimeMultiAgentAystems[J].JournalofSystemsScienceandComplexity，2012，25（1）：13-29.

[6]DongXW，YuBC，ShiZY，etal.TimeVaryingFormationControlforUnmannedAerialVehicles：TheoriesandApplications[J].IEEETransactionsonControlSystemsTechnology，2015，23（1）：340-348.

[7]ZhouY，DongXW，ShiZ，etal.TimeVaryingFormationControlforUnmannedAerialVehicleswithSwitchingInteractionTopologies[C]∥InternationalConferenceonUnmannedAircraftSystems（ICUAS），2016：1203-1209.

[8]DongXW，ZhouY，RenZ，etal.TimeVaryingFormationTrackingforSecondOrderMultiAgentSystemsSubjectedtoSwitchingTopologieswithApplicationtoQuadrotorFormationFlying[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics，2017，64（6）：5014-5024.

[9]TurpinM，MichaelN，KumarV.DecentralizedFormationControlwithVariableShapesforAerialRobots[C]∥ProceedingsofIEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation，2012：23-30.

[10]XiaoF，WangL，ChenJ，etal.FiniteTimeFormationControlforMultiAgentSystems[J].Automatica，2009，45（11）：2605-2611.

[11]RenW.ConsensusStrategiesforCooperativeControlofVehicleFormations[J].IETControlTheory&Applications，2007，1（2）：505-512.

[12]DongXW，HuGQ.TimeVaryingOutputFormationforLinearMultiagentSystemsviaDynamicOutputFeedbackControl[J].IEEETransactionsonControlofNetworkSystems，2017，4（2）：236-245.

[13]DongXW，XiJX，LuG，etal.FormationControlforHighOrderLinearTimeInvariantMultiAgentSystemswithTimeDelays[J].IEEETransactionsonControlofNetworkSystems，2014，1（3）：232-240.

[14]HuaYZ，DongXW，HuGQ，etal.DistributedTimeVaryingOutputFormationTrackingforHeterogeneousLinearMultiAgentSystemswithaNonautonomousLeaderofUnknownInput[J].IEEETransactionsonAutomaticControl，2019，DOI：10.1109/TAC.2019.2893978.

[15]WenG，HuangJ，WangC，etal.GroupConsensusControlforHeterogeneousMultiAgentSystemswithFixedandSwitchingTopologies[J].InternationalJournalofControl，2016，89（2）：259-269.

[16]LiuXK，WangYW，XiaoJW，etal.DistributedHierarchicalControlDesignofCoupledHeterogeneousLinearSystemsunderSwitchingNetworks[J].InternationalJournalofRobustandNonlinearControl，2017，27（8）：1242-1259.

[17]王振民.多主體系統(tǒng)時(shí)變編隊(duì)及跟蹤控制研究與驗(yàn)證[D].北京：北京航空航天大學(xué)，2019.

WangZhenmin.ResearchandVerificationofTimeVaryingFormationandTrackingControlofMultiAgentSystem[D].Beijing：BeihangUniversity，2019.（inChinese）

[18]周澤強(qiáng).多旋翼無人機(jī)編隊(duì)機(jī)動飛行控制技術(shù)研究[D].北京：北京航空航天大學(xué)，2019.

ZhouZeqiang.ResearchonManeuverFlightControlTechnologyofMultiRotorUAVFormation[D].Beijing：BeihangUniversity，2019.（inChinese）