多無(wú)人機(jī)協(xié)同控制現(xiàn)狀及發(fā)展前景探究

劉承相，熊俊杰，魏秀玲，孫多

（吉林動(dòng)畫(huà)學(xué)院民航學(xué)院，吉林長(zhǎng)春，130000）

0 引言

為了減少在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中人員的傷亡，無(wú)人機(jī)在戰(zhàn)爭(zhēng)中的使用愈發(fā)普遍，其占比也越來(lái)越多。除了在軍事戰(zhàn)爭(zhēng)中的使用外，面對(duì)惡劣天氣的時(shí)候，對(duì)于火山的勘探、交通管制和人工降雨方面無(wú)人機(jī)可以充分發(fā)揮自己的功能和優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)如今科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)，有好多領(lǐng)域都是依靠無(wú)人機(jī)才得以實(shí)現(xiàn)，無(wú)人機(jī)從最開(kāi)始的單機(jī)完成任務(wù)到現(xiàn)在執(zhí)行編隊(duì)飛行任務(wù)，是一個(gè)從低級(jí)使用到高階運(yùn)用逐步進(jìn)化的過(guò)程。無(wú)論是在民用領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域，科研人員都很清楚一加一大于二，所以多無(wú)人機(jī)與單機(jī)相比較，具有很大的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在一下三方面。其一，多無(wú)人機(jī)在任務(wù)完成率方面比單架相比高出幾倍；其二，單架的任務(wù)完成時(shí)間比較慢，而多無(wú)人機(jī)比較快，大大縮短了任務(wù)完成時(shí)間；其三，增加信息感知量，單架無(wú)人機(jī)與多無(wú)人機(jī)相較，在相同環(huán)境下獲取信息，不如多無(wú)人機(jī)信息獲取的全面、廣泛，可提供給決策者的信息不如多無(wú)人更準(zhǔn)確，以上充分印證了多無(wú)人機(jī)協(xié)同控制達(dá)到的效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)單架無(wú)人機(jī)，整體時(shí)效能較強(qiáng)。

1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

就目前多無(wú)人機(jī)協(xié)同控制技術(shù)發(fā)展而言，美國(guó)的研究成果最為顯著。美國(guó)的科研單位和軍事院校，早在幾年前就已經(jīng)開(kāi)展了對(duì)該控制技術(shù)的研究工作，大量的研究工作也是針對(duì)美國(guó)軍隊(duì)和軍事需求逐步延伸的。多無(wú)人機(jī)協(xié)同控制技術(shù)整體可分為三部分，分別為編隊(duì)控制、航跡規(guī)劃和任務(wù)分配。

1.1 編隊(duì)控制

多無(wú)人機(jī)編隊(duì)控制技術(shù)主要是為了能夠保證無(wú)人接任務(wù)順利完成，具體是指多無(wú)人機(jī)根據(jù)戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境、因素以及態(tài)勢(shì)按照一定的隊(duì)形排列開(kāi)，倘若其中某架無(wú)人機(jī)因特殊原因無(wú)法繼續(xù)參與執(zhí)行任務(wù)，剩下的無(wú)人機(jī)也可重整隊(duì)形。圖1所示的是目前多無(wú)人機(jī)編隊(duì)的可控制方法。一種為領(lǐng)航-跟隨法，這種隊(duì)形最前面的一架無(wú)人機(jī)被稱之為領(lǐng)航者，隊(duì)形中其他無(wú)人機(jī)均稱之為跟隨者。而另一種為虛擬領(lǐng)航法，該方法是根據(jù)多無(wú)人機(jī)飛行航跡選擇一合適固定點(diǎn)，編隊(duì)中的所參與的無(wú)人機(jī)均是根據(jù)這一固定點(diǎn)來(lái)飛行，不存在領(lǐng)航者，也不需要領(lǐng)航者來(lái)引航。

1.2 多無(wú)人機(jī)協(xié)同航跡規(guī)劃

多無(wú)人機(jī)協(xié)同航跡規(guī)劃具體是指該機(jī)群整體性能達(dá)到最優(yōu)的情況下，為其規(guī)劃出一條從開(kāi)始到目標(biāo)點(diǎn)的航跡，而無(wú)人機(jī)群航跡的規(guī)劃既是滿足多無(wú)人機(jī)群的約束條件，還是性能指標(biāo)最優(yōu)的航跡，確保多無(wú)人機(jī)群安全、快速的運(yùn)動(dòng)至任務(wù)區(qū)域，極大程度的降低了被敵方發(fā)現(xiàn)和摧毀的概率。文獻(xiàn)[1]通過(guò)對(duì)群蟻算法的改進(jìn)來(lái)規(guī)劃航跡，不但突破了多無(wú)人機(jī)航路規(guī)劃中的不足，還根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果找到了多無(wú)人機(jī)最優(yōu)的航跡規(guī)劃方法。

1.3 多無(wú)人機(jī)協(xié)同任務(wù)分配

為了提升多無(wú)人機(jī)任務(wù)完成的效率，縮短任務(wù)完成時(shí)間，多無(wú)人機(jī)可根據(jù)人們的需求對(duì)任務(wù)進(jìn)行協(xié)同分配，以獲取最大效益為目的。文獻(xiàn)[2]中基于云架構(gòu)的有/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)分配方法；文獻(xiàn)[3]基于一致性群組算法的多無(wú)人機(jī)自主協(xié)同任務(wù)分配，根據(jù)整個(gè)機(jī)群的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行任務(wù)分配，通過(guò)試驗(yàn)表明該方法的有效性。

2 多無(wú)人機(jī)協(xié)同控制面臨的挑戰(zhàn)

軍事作戰(zhàn)中，雙方的對(duì)抗性較強(qiáng)，且戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境和戰(zhàn)爭(zhēng)條件變化快，鑒于該情況的出現(xiàn)，多無(wú)人機(jī)協(xié)同控制在軍事方面的需求也愈加強(qiáng)烈。為了充分發(fā)揮無(wú)人機(jī)自身在軍事作戰(zhàn)任務(wù)中的作用及優(yōu)勢(shì)，多無(wú)人機(jī)除了在任務(wù)執(zhí)行中根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況變化外，還要對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)上的態(tài)勢(shì)和環(huán)境因素進(jìn)行考慮，圖2是多無(wú)人機(jī)在協(xié)同控制方面所面臨的挑戰(zhàn)[4]，具體體現(xiàn)如下。

圖2 無(wú)人接協(xié)同控制面臨的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)的軍事戰(zhàn)爭(zhēng)與現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)不同，現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)不僅僅在陸地，還有海上和空中，作戰(zhàn)環(huán)境和態(tài)勢(shì)更是瞬息萬(wàn)變。此時(shí)，可依靠多無(wú)人機(jī)協(xié)同控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)群中的通信，獲取較為全面的數(shù)據(jù)信息，并在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)傳輸，在傳輸過(guò)程中要排除網(wǎng)絡(luò)、電磁和天氣因素的影響，無(wú)形之中為多無(wú)人機(jī)的性能提出了更高的要求，所以在通信鏈路過(guò)程中，多無(wú)人機(jī)協(xié)同控制的關(guān)鍵就是保持通信通暢。

時(shí)效性在現(xiàn)代軍事戰(zhàn)爭(zhēng)中有著重要作用，受天氣原因、作戰(zhàn)環(huán)境和作戰(zhàn)條件的影響，急需多無(wú)人機(jī)在有限的時(shí)間內(nèi)做出應(yīng)對(duì)，比如：飛行的高度、運(yùn)行的速度以及編隊(duì)的結(jié)構(gòu)等等，都需要在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行改變。多無(wú)人機(jī)協(xié)同控制與有人機(jī)和單架無(wú)人機(jī)不同，多無(wú)人機(jī)協(xié)同控制不僅要對(duì)整個(gè)機(jī)群進(jìn)行考慮，還要對(duì)單架飛機(jī)的控制進(jìn)行考慮，準(zhǔn)確抓住時(shí)效性，進(jìn)一步提升整體無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)和生存的成功概率。

多無(wú)人機(jī)協(xié)同控制技術(shù)發(fā)展是一項(xiàng)由低到高的過(guò)程，執(zhí)行任務(wù)也從最初的簡(jiǎn)單變的愈加復(fù)雜，同時(shí)，無(wú)人機(jī)的控制對(duì)實(shí)時(shí)性的應(yīng)對(duì)變化要求也越來(lái)越嚴(yán)格。該項(xiàng)技術(shù)主要包括機(jī)群間的信息融合、協(xié)同控制和傳感測(cè)量等。若多無(wú)人機(jī)同時(shí)執(zhí)行一項(xiàng)任務(wù)時(shí)，比如，火山勘查、土地灌溉等，計(jì)算量就相當(dāng)龐大了；若是多無(wú)人機(jī)同時(shí)執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)時(shí)，比如交通勘查、打擊任務(wù)或者毀傷評(píng)估任務(wù)時(shí)，對(duì)于多無(wú)人機(jī)的計(jì)算量呈指數(shù)增長(zhǎng)，這無(wú)疑對(duì)多無(wú)人機(jī)協(xié)同控制提出更大的挑戰(zhàn)。

隨著世界的發(fā)展多無(wú)人機(jī)在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)中所面臨的環(huán)境與現(xiàn)在所面臨的作戰(zhàn)環(huán)境相比較，要復(fù)雜的多，變化也非?？臁－h(huán)境的變化本就非常頻繁，人為不可預(yù)測(cè)，再加之未來(lái)的發(fā)展中環(huán)境的改變也會(huì)摻雜一些人為因素，所以，在戰(zhàn)爭(zhēng)中對(duì)于環(huán)境變化問(wèn)題是不可忽視的。為了使多無(wú)人機(jī)能夠從容的面對(duì)這些情況，并對(duì)復(fù)雜變換的戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境制定有效的應(yīng)對(duì)措施，必須大力發(fā)展多無(wú)人機(jī)協(xié)同控制技術(shù)，這也是我國(guó)在未來(lái)軍事戰(zhàn)爭(zhēng)和民用方面中的一大挑戰(zhàn)。以上幾種因素交織在一起肯定會(huì)衍生出更多的問(wèn)題，在這種情況下為了保證多無(wú)人機(jī)的作戰(zhàn)手段和方式得以重視，就一定要克服作戰(zhàn)過(guò)程中所發(fā)生的困難。

3 未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

單架無(wú)人機(jī)在軍事戰(zhàn)爭(zhēng)中面對(duì)環(huán)境、天氣以及作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)等的復(fù)雜變幻因素時(shí)，已經(jīng)無(wú)法滿足也無(wú)法在時(shí)效內(nèi)做出應(yīng)對(duì)，所以對(duì)多無(wú)人機(jī)協(xié)同控制技術(shù)研發(fā)是迫切需要的。近幾年，多無(wú)人機(jī)協(xié)同技術(shù)所執(zhí)行的任務(wù)比較簡(jiǎn)單，面對(duì)的作戰(zhàn)環(huán)境也比較單一，并且對(duì)于多無(wú)人機(jī)的時(shí)效性要求并不是特別嚴(yán)格。但是站在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)的角度出發(fā)考慮，就發(fā)展趨勢(shì)而言，在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中多無(wú)人機(jī)將要面臨的作戰(zhàn)環(huán)境肯定是較為復(fù)雜且實(shí)時(shí)變化的，與之前多無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)截然不同。同時(shí)，多無(wú)人機(jī)還要利用網(wǎng)絡(luò)條件與其他作戰(zhàn)的指揮平臺(tái)進(jìn)行通信，通過(guò)傳遞信息制定作戰(zhàn)計(jì)劃。以下幾點(diǎn)是多無(wú)人機(jī)協(xié)同控制技術(shù)在未來(lái)發(fā)展中的主要表現(xiàn)[5]。

3.1 不同類(lèi)型的多無(wú)人機(jī)協(xié)同控制

為了減少人員傷亡和財(cái)力消耗，在未來(lái)的戰(zhàn)爭(zhēng)中肯定是以無(wú)人機(jī)為主導(dǎo)，戰(zhàn)場(chǎng)也將是多無(wú)人機(jī)的戰(zhàn)場(chǎng)。未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中關(guān)于空中打擊、敵方偵查、戰(zhàn)機(jī)格斗以及空中加油、部署戰(zhàn)略等方面，僅僅依靠單一無(wú)人機(jī)無(wú)法完成，屆時(shí)可以根據(jù)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的需求對(duì)多無(wú)人機(jī)協(xié)同技術(shù)進(jìn)行研究，盡早實(shí)現(xiàn)各種類(lèi)型的多無(wú)人機(jī)協(xié)同控制作戰(zhàn)的完整體系，為多無(wú)人機(jī)結(jié)合作戰(zhàn)環(huán)境凸顯其作戰(zhàn)特點(diǎn)奠定扎實(shí)基礎(chǔ)[6]。

3.2 復(fù)雜、動(dòng)態(tài)變化的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的多無(wú)人機(jī)協(xié)同控制

多無(wú)人機(jī)協(xié)同控制技術(shù)在面對(duì)微小的環(huán)境變化或者靜態(tài)環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)時(shí)，是很容易實(shí)現(xiàn)的，但是在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中，無(wú)論是空中作戰(zhàn)還是海上作戰(zhàn)，多無(wú)人機(jī)所要面對(duì)的環(huán)境實(shí)非常復(fù)雜的，動(dòng)態(tài)變化頻繁，所以多無(wú)人機(jī)協(xié)同控制技術(shù)在面臨這些因素時(shí)也隨之發(fā)生變化，并再時(shí)效內(nèi)制定相應(yīng)的作戰(zhàn)計(jì)劃，合理的分配作戰(zhàn)任務(wù)，圖3所示。其中的領(lǐng)航者在下達(dá)這些指令時(shí)，還要對(duì)跟隨者進(jìn)行考慮，避免在指令下達(dá)后隨行者因突發(fā)情況不能參與執(zhí)行任務(wù)，還要對(duì)作戰(zhàn)中可能出現(xiàn)的威脅和敵機(jī)數(shù)量進(jìn)行考量。正因如此，多無(wú)人機(jī)協(xié)同控制技術(shù)必須具備在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)中，對(duì)于環(huán)境變化能夠作出應(yīng)急反應(yīng)的能力，這也是該技術(shù)研究過(guò)程中的重點(diǎn)之一。

圖3 復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境

3.3 網(wǎng)絡(luò)化條件下的多無(wú)人機(jī)協(xié)同控制

利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行空中作戰(zhàn)肯定是最好的選擇，既為減少了人員傷亡，又減少了財(cái)力消耗。但是在未來(lái)的軍事戰(zhàn)場(chǎng)中，不僅僅只有空中作戰(zhàn)，還有海面和陸地作戰(zhàn)，同時(shí)還涉及到網(wǎng)絡(luò)和電磁為一體的戰(zhàn)場(chǎng)，充分證明軍事作戰(zhàn)的復(fù)雜性，只有單一的無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)也不能完成。一個(gè)綜合的作戰(zhàn)平臺(tái)大致可分為六部分，除了多無(wú)人機(jī)平臺(tái)外，還需要有海上作戰(zhàn)平臺(tái)、陸地后勤指揮部、大氣層外的人造偵查衛(wèi)星和電磁干擾、網(wǎng)絡(luò)信息化平臺(tái)等，這才是完整的軍事作戰(zhàn)體系。為了保證該體系順利運(yùn)行，關(guān)鍵在于網(wǎng)絡(luò)，但是網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)由于電磁干擾、大氣干擾、氣候溫度等苛刻的條件出現(xiàn)通信帶寬受限、延時(shí)太長(zhǎng)、傳輸信息丟失等情況。因此，研究解決網(wǎng)絡(luò)化條件下的多無(wú)人機(jī)協(xié)同控制技術(shù)具有十分重要的意義[7]。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著多無(wú)人機(jī)協(xié)同環(huán)境感知、多無(wú)人機(jī)協(xié)同任務(wù)分配、多無(wú)人機(jī)在線協(xié)同航跡規(guī)劃、多無(wú)人機(jī)協(xié)同編隊(duì)等關(guān)鍵技術(shù)的突破，多無(wú)人機(jī)協(xié)同控制在軍事和民用領(lǐng)域?qū)?huì)越來(lái)越受到重視[8-9]。多無(wú)人機(jī)協(xié)同控制作為一個(gè)前沿的研究方向，涉及的學(xué)科、領(lǐng)域都比較多，進(jìn)一步拓展通信鏈路暢通、任務(wù)解耦問(wèn)題、協(xié)同控制算法的研究，將加快多無(wú)人機(jī)協(xié)同控制器實(shí)用化進(jìn)程。