一種仿鳥群行為的無人機(jī)集群相變控制方法

摘要：無人機(jī)集群已成為信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中重要的新質(zhì)作戰(zhàn)力量。為解決多任務(wù)驅(qū)動(dòng)下無人機(jī)集群的形態(tài)控制問題，提出了一種仿鳥群行為的無人機(jī)集群相變控制方法分析了鳥群行為模式，總結(jié)了以麻雀群為例的鳥群聚集御敵行為特征通過引入向心/離心對(duì)偶力，建立“突變”交互規(guī)則，構(gòu)建了基于四規(guī)則的無人機(jī)集群相變控制模型定義了控制參量和序參量，通過調(diào)控關(guān)鍵控制參量，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)集群的相變控制，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的有效性經(jīng)群體智能優(yōu)化算法的最優(yōu)參數(shù)求解，有序相形成周期均縮短了近70%，驗(yàn)證了方法的優(yōu)化可行性。該方法可望在無人機(jī)集群偵察感知、應(yīng)急救援等任務(wù)中廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)集群；相變控制；序參量；控制參量；群體智能

DOI：10.3969/j. issn. 1009-086x. 2025. 01. 002

中圖分類號(hào)：TP273；TJ76 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1009-086X（2025）-01 -0011 -12

引用格式：邱浩楠， 何明， 韓偉， 等.一種仿鳥群行為的無人機(jī)集群相變控制方法[J].現(xiàn)代防御技術(shù)，2025，53（1）：11-22.

Reference format： QIU Haonan，HE Ming，HAN Wei，et al.A Phase Transition Control Method for UAV Swarm Based onBirds’ Behaviors[J].Modern Defence Technology，2025，53（1）：11-22.

0 引言

受自然界鳥群群體行為的啟發(fā)，集群聚集、集群遷徙、躲避天敵等［1］行為已被借鑒并映射至無人機(jī)集群行為模式中，有效解決了集群集結(jié)、路徑規(guī)劃、目標(biāo)追蹤、緊急避障等［2?3］無人機(jī)集群復(fù)雜任務(wù)需求。隨著無人機(jī)集群應(yīng)用場(chǎng)景的多元化及任務(wù)需求的日益復(fù)雜化，如何有效地分析并控制多任務(wù)驅(qū)動(dòng)下無人機(jī)集群的群體形態(tài)成為亟待解決的問題。

現(xiàn)階段，無人機(jī)集群控制方法已有諸多研究。一致性控制強(qiáng)調(diào)通過傳感器或通信網(wǎng)絡(luò)的交互，促使集群內(nèi)智能體的狀態(tài)隨著時(shí)間逐漸趨于一致。其中，基于Vicsek 模型的一致性控制得到了廣泛的研究應(yīng)用［4?5］。編隊(duì)控制方法則旨在根據(jù)特定任務(wù)需求，預(yù)先為無人機(jī)集群設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)募航Y(jié)構(gòu)，集群中個(gè)體調(diào)整至相應(yīng)位置以構(gòu)建預(yù)設(shè)的集群形態(tài)。目前常見的無人機(jī)集群編隊(duì)控制策略包括領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者策略、基于行為的編隊(duì)控制方法等。領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者策略［6］是指選取集群中的一架或多架無人機(jī)作為領(lǐng)導(dǎo)者，負(fù)責(zé)速度-方向等運(yùn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)定，其他無人機(jī)跟隨領(lǐng)導(dǎo)者行動(dòng)；基于行為的編隊(duì)控制［7］是參考鳥類等生物群體行為，建立的無人機(jī)集群動(dòng)力學(xué)模型。DUAN［8］和HE等［9］將鴿群的行為機(jī)制映射至無人機(jī)集群的協(xié)同控制中，提出了多種基于群體仿生智能的無人機(jī)協(xié)同控制方法，展現(xiàn)出了良好的飛行效果。

但上述控制方法策略都具有一定的局限性，一致性控制難以滿足集群無序復(fù)雜形態(tài)的控制需求。領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者策略避免不了剛性結(jié)構(gòu)的限制，集群靈活性較差；基于群體仿生智能的模型策略動(dòng)態(tài)模型建立難，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，需要進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練模擬，應(yīng)用效率較低［10］。綜上所述，現(xiàn)有的無人機(jī)集群控制方法僅能應(yīng)對(duì)單一或有限類型的群體形態(tài)構(gòu)建，在多形態(tài)、快速響應(yīng)和穩(wěn)定轉(zhuǎn)換等技術(shù)難題上仍表現(xiàn)不佳。因此，亟需一種形態(tài)實(shí)現(xiàn)種類多樣、形態(tài)轉(zhuǎn)換更為靈活的集群控制方法。

相變的概念最早源自于物理學(xué)領(lǐng)域，揭示了物質(zhì)在不同的條件下從一個(gè)相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)相的狀態(tài)變化及其規(guī)律。近年來，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)鳥類群體中也存在著類似的相變現(xiàn)象，ATTANASI 等［11］發(fā)現(xiàn)鳥群的局部波動(dòng)可能涌現(xiàn)出從直線運(yùn)動(dòng)到集體轉(zhuǎn)向的相變現(xiàn)象。BASTIEN 等［12］借鑒鳥群的最小視覺模型研究了多智能體的群體行為，發(fā)現(xiàn)不同參數(shù)集會(huì)導(dǎo)致不同行為的出現(xiàn)。因此，若能借鑒鳥群行為相變過程，僅通過調(diào)整部分參數(shù)，便可實(shí)現(xiàn)群體行為的涌現(xiàn)，將大幅度降低無人機(jī)集群在復(fù)雜任務(wù)場(chǎng)景下的控制難度。

本文將利用“ 相變”這一概念來探究群體行為規(guī)律及其成因，使用“相”來描述無人機(jī)集群的基本行為，把“相變”思想引入到無人機(jī)集群控制中，將無人機(jī)集群的形態(tài)轉(zhuǎn)換按照速度-方向劃分為一致性相變和不一致性相變，以此來描述集群任務(wù)執(zhí)行過程中個(gè)體速度-方向迥異的群體行為。通過對(duì)鳥群行為的借鑒分析，歸納無人機(jī)集群速度-方向趨于一致的形態(tài)為一致性有序相，個(gè)體速度-方向全部不一致或集群內(nèi)部分無人機(jī)個(gè)體速度-方向不一致的形態(tài)為不一致性無序相。

通過引入向心/離心對(duì)偶力，在基于分離、聚集和速度匹配的規(guī)則基礎(chǔ)上，提出一種新的控制規(guī)則：“ 突變”，創(chuàng)新性地建立四規(guī)則相變控制模型（four-rules phase transition model，F(xiàn)RPT）模型。基于該模型，本文提出的無人機(jī)集群相變控制方法，可以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)驅(qū)動(dòng)下無人機(jī)集群復(fù)雜群體形態(tài)的實(shí)現(xiàn)與轉(zhuǎn)換。在此基礎(chǔ)上，利用多種群體智能優(yōu)化算法計(jì)算相變控制參量的最優(yōu)參數(shù)，進(jìn)一步提高無人機(jī)集群相變控制的效率。