多無人機協(xié)同控制方法及應(yīng)用研究

韓 亮，任 章，董希旺，李清東

(1.北京航空航天大學(xué) 中法工程師學(xué)院，北京 100191;2.北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191)

0 引言

無人機是現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中的重要作戰(zhàn)裝備。經(jīng)過數(shù)十年的研究，無人機相關(guān)技術(shù)已經(jīng)取得令人矚目的進展，功能也越來越豐富，已開始逐步替代有人飛行器。然而，面對日益復(fù)雜的作戰(zhàn)環(huán)境與多任務(wù)需求，單架無人機的任務(wù)執(zhí)行能力顯示出了一定的局限性，具體包括：由于機載傳感器與通信設(shè)備的限制，單架無人機對任務(wù)環(huán)境的感知能力是有限的；受自身的燃料限制，飛行時間有限，不具備高強度持續(xù)作戰(zhàn)能力；單無人機一旦受到故障影響，任務(wù)執(zhí)行效率將大幅下降，甚至導(dǎo)致任務(wù)終止。

為提高無人機的任務(wù)執(zhí)行效率，美國空軍在《2016—2036年小型無人機系統(tǒng)飛行規(guī)劃》中提出了無人機應(yīng)當(dāng)采取集群作戰(zhàn)的模式，提高作戰(zhàn)行動的靈活性，降低損耗。美國DARPA公司計劃研究用于電子戰(zhàn)的無人機群系統(tǒng)，在敵方防御體系外進行組網(wǎng)通信，針對指定目標(biāo)執(zhí)行協(xié)同探測、協(xié)同攻擊等作戰(zhàn)任務(wù)(圖1和圖2)。相比單架無人機，無人機群系統(tǒng)具有諸多優(yōu)勢。例如，可以通過多個低成本、異構(gòu)的無人機代替功能完備的單無人機，從而達到降低成本，提高任務(wù)執(zhí)行效率的目的；多無人機相互協(xié)作完成對任務(wù)環(huán)境的感知，通過自組網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)多無人機之間信息的快速共享，完成對任務(wù)區(qū)域的大范圍探測；無人機群系統(tǒng)不依賴于單獨的個體，當(dāng)部分個體出現(xiàn)故障時，整個群系統(tǒng)仍具有一定的完整性，可繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)等?？傊?，多無人機集群既能充分發(fā)揮無人機的優(yōu)勢，又能避免單架無人機由于自身限制而導(dǎo)致的任務(wù)執(zhí)行受限問題，是未來無人機重要的發(fā)展方向。

1 協(xié)同控制方法分類

近年來，多無人機集群技術(shù)研究領(lǐng)域已經(jīng)產(chǎn)生了很多緊密相關(guān)的研究分支，其中包括協(xié)同導(dǎo)航、協(xié)同制導(dǎo)和協(xié)同控制等。文獻[1]對多無人機協(xié)同導(dǎo)航技術(shù)進行了介紹。文獻[2]對協(xié)同制導(dǎo)與控制技術(shù)進行了總結(jié)。在協(xié)作過程中，多無人機之間需要通過相應(yīng)的協(xié)同控制方法來共同實現(xiàn)指定的全局目標(biāo)。根據(jù)任務(wù)的不同，協(xié)同控制方法可分為一致性控制、編隊控制、合圍控制和跟蹤控制等。其中，編隊控制用于保證無人機群系統(tǒng)形成期望的編隊來完成指定任務(wù)。根據(jù)任務(wù)的不同，編隊的形式主要有兩類：一種是固定編隊，如三角形編隊、菱形編隊等；另一種是時變編隊，即多無人機之間的編隊隊形是時變的。當(dāng)編隊指令為零時，編隊控制問題就轉(zhuǎn)換為一致性控制問題；合圍控制用于保證無人機進入相應(yīng)的凸包內(nèi)，同時配合其他無人機完成相關(guān)任務(wù)；跟蹤控制用于保證多無人機以特定的方式協(xié)同跟蹤某個目標(biāo)。

2 協(xié)同控制體系結(jié)構(gòu)

為了保證集群任務(wù)的執(zhí)行效能，協(xié)同控制系統(tǒng)需要具備高可靠性、強魯棒性、快速響應(yīng)和快速重組等能力。協(xié)同控制體系結(jié)構(gòu)主要有集中式結(jié)構(gòu)與分布式結(jié)構(gòu)兩種類型。

集中式結(jié)構(gòu)將各無人機的狀態(tài)信息發(fā)送至控制中心(中心節(jié)點)統(tǒng)一處理。其中，控制中心可以是無人機、航天器、地面站等。所有的無人機將自身狀態(tài)信息或感知的信息發(fā)送到控制中心，然后，控制中心通過數(shù)據(jù)處理、任務(wù)規(guī)劃、控制決策等環(huán)節(jié)，再將控制信息傳送到各架無人機，保證多無人機統(tǒng)一執(zhí)行指定的任務(wù)。在集中式結(jié)構(gòu)中，任務(wù)控制指令由控制中心發(fā)送，無人機自身只具有底層控制能力。

集中式結(jié)構(gòu)利用全局的信息進行分析與決策，當(dāng)控制中心與通信帶寬的性能足夠好時，它能夠較好地處理復(fù)雜控制問題，同時這種體系結(jié)構(gòu)具有全局性能強的優(yōu)點。當(dāng)控制中心出現(xiàn)問題時，所有的任務(wù)將會終止，因此集中式結(jié)構(gòu)存在計算量大、魯棒性差等缺點。因此，集中式結(jié)構(gòu)適用于處理實時性要求低、全局性能要求高的任務(wù)中。圖3所示為集中式協(xié)同控制體系。

分布式結(jié)構(gòu)沒有一個確定的控制中心(中心節(jié)點)，各無人機在群系統(tǒng)中的地位是平等的，它們通過合作的方式協(xié)同完成任務(wù)。在分布式控制結(jié)構(gòu)下，全局控制問題被分解成多個子問題并由各架無人機獨立解決。各無人機具有一定的自主控制與決策能力，能夠根據(jù)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的連通情況與其他無人機進行信息交互，在分布式協(xié)同控制協(xié)議的作用下，實現(xiàn)無人機群系統(tǒng)的整體控制。

分布式結(jié)構(gòu)具備實時性好、魯棒性強、計算量低、靈活性高等優(yōu)點。但由于多無人機在分布式體系結(jié)構(gòu)下，對全局性能考慮不足，容易造成全局性能不強的問題，因此，分布式體系結(jié)構(gòu)比較適合處理具有高動態(tài)性、高實時性特點的任務(wù)。圖4所示為分布式協(xié)同控制體系。

3 協(xié)同控制研究現(xiàn)狀

3.1 編隊控制

對在編隊控制研究方面，目前主要分為基于行為、虛擬結(jié)構(gòu)、人工勢場、領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者以及一致性的編隊控制方法。下面對這幾種方法分別進行介紹。

基于行為的編隊控制方法借鑒仿生學(xué)的思想實現(xiàn)編隊。其基本思路為：群系統(tǒng)中所有無人機都具有多種預(yù)設(shè)的行為模式，如聚集、避障、保持隊形等，這些行為組成一個行為集合。每一種行為都對應(yīng)著一種控制作用，并為每一種行為的控制作用分配不同權(quán)重，每架無人機的整體控制行為由多個控制作用加權(quán)求和得到。無人機群系統(tǒng)通過動態(tài)調(diào)整每一個行為的權(quán)值，最終實現(xiàn)期望的行為。文獻[3]給出了基于候鳥群體行為的編隊控制策略，基于相對距離反饋信息設(shè)計了最優(yōu)編隊控制器。文獻[4]討論了三維空間下的多無人機編隊控制問題，構(gòu)造了用于固定編隊的行為模型，給出了基于行為的分布式編隊控制器，使多無人機以編隊的形式通過目標(biāo)點。文獻[5]給出了基于鴿群行為的編隊控制方法，研究了鳥群行為機制與編隊飛行的仿生關(guān)系，設(shè)計了基于仿生行為的編隊控制器構(gòu)型。該方法的優(yōu)點在于：每架無人機只需要局部信息，整體采用分布式控制，魯棒性好，集群可進一步擴展；其缺點則主要在于：行為模型較為復(fù)雜，編隊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性難以保證，難以在理論上進行可行性分析。

基于虛擬結(jié)構(gòu)的編隊控制方法將期望的集群隊形視為一個剛體的虛擬結(jié)構(gòu)。其主要思路是將預(yù)期的編隊視為一個存在多個節(jié)點的虛擬結(jié)構(gòu)，群系統(tǒng)中的所有無人機都分別對應(yīng)著虛擬結(jié)構(gòu)中的一個節(jié)點，當(dāng)編隊變化時，每一架無人機與虛擬結(jié)構(gòu)上的點保持同步運動即可完成實際編隊。文獻[6]給出了基于虛擬結(jié)構(gòu)的編隊控制器，實現(xiàn)了多無人機編隊構(gòu)型的保持。文獻[7]通過采用虛擬結(jié)構(gòu)編隊控制方法，實現(xiàn)了多無人機大機動飛行過程的編隊保持，并通過動態(tài)參數(shù)自適應(yīng)地在編隊保持與軌跡跟蹤之間切換。文獻[8]基于虛擬結(jié)構(gòu)的編隊控制策略，在滿足無人機之間實時避障的基礎(chǔ)上，完成了多無人機的編隊?；谔摂M結(jié)構(gòu)的編隊控制方法優(yōu)勢在于魯棒性強，編隊控制精度高；不足在于要求群系統(tǒng)實時性與同步性高，數(shù)據(jù)計算量大。

基于人工勢場法的編隊控制方法是通過勢場中吸引與排斥的特性實現(xiàn)編隊。其基本思路為：根據(jù)個體之間的勢場特性設(shè)計編隊控制器，使個體間之間的相對距離保持在一定的范圍內(nèi)，也可以設(shè)定集群的目標(biāo)點，然后通過模擬勢場的方式吸引個體形成編隊。文獻[9]提出了基于人工勢場的多無人機編隊避碰控制方法，結(jié)合勢場特性與一致性理論，在保障多無人機之間的避撞與避障的基礎(chǔ)上，共同實現(xiàn)預(yù)期的編隊飛行任務(wù)。文獻[10]基于人工勢場法與回轉(zhuǎn)力方法設(shè)計了分布式編隊控制器，實現(xiàn)了多無人機以編隊的形式在障礙空間進行避障飛行。文獻[11]將人工勢場與虛擬領(lǐng)導(dǎo)者的方法進行了結(jié)合，通過人工勢場法定義了個體之間的期望距離，由虛擬領(lǐng)導(dǎo)者控制群體的隊形與運動，在兩者共同作用下實現(xiàn)預(yù)期的編隊任務(wù)?；谌斯輬龇ǖ木庩牽刂品椒ǖ膬?yōu)點在于物理意義明確，易于實現(xiàn)；其缺點主要是該方法難以在理論上保證編隊的穩(wěn)定性，容易產(chǎn)生局部振蕩等問題。

基于領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者的編隊控制方法是較為成熟的編隊控制方法，與傳統(tǒng)多飛行器編隊中的長機僚機編隊方法比較類似。該方法的基本思路是將群系統(tǒng)中的無人機分為領(lǐng)導(dǎo)者和跟隨者，其中領(lǐng)導(dǎo)者按照設(shè)定的軌跡運動，跟隨者與領(lǐng)導(dǎo)者之間保持指定的相對距離并跟隨領(lǐng)導(dǎo)者運動。文獻[12]研究了多無人機同步與編隊保持問題，基于領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者策略設(shè)計了編隊控制器，實現(xiàn)了多無人機編隊飛行過程中位置、速度與姿態(tài)變化的同步。文獻[13]根據(jù)領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者編隊控制策略設(shè)計了基于相對狀態(tài)反饋的編隊控制器，實現(xiàn)了多無人機在局部通信條件下的編隊。文獻[14]根據(jù)領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者編隊策略設(shè)計了基于滑膜思想的編隊控制器，分析了多無人機在觀測約束下實現(xiàn)編隊的可行性條件。文獻[15]研究了通信約束下的多無人機編隊控制問題，基于領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者策略設(shè)計了分布式編隊控制器，基于李雅普諾夫方法給出了編隊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定條件?；陬I(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者的編隊控制方法優(yōu)點在于實現(xiàn)較為容易，理論上容易分析；不足在于魯棒性較差，一旦領(lǐng)導(dǎo)者出現(xiàn)異常，那么編隊將無法實現(xiàn)，同時，當(dāng)個體較多時，對實時通信性能要求較高。

基于一致性的編隊控制方法通過圖來表示集群個體之間的作用關(guān)系，結(jié)合圖論與控制理論對編隊問題進行分析?；谝恢滦缘木庩牽刂品椒ǖ幕舅悸窞椋喝合到y(tǒng)中所有無人機的狀態(tài)相對同一個編隊參考保持特定的向量偏差。通過局部的協(xié)同作用后，所有無人機的狀態(tài)與編隊參考的向量偏差趨于一致，最終實現(xiàn)了指定的編隊。在基于一致性的編隊控制問題中，一般會通過狀態(tài)變換或矩陣分解的方法將問題轉(zhuǎn)化成一致性問題，然后再選擇合適的一致性理論對問題進行分析。文獻[16]對通信約束下的多架垂直起降無人機編隊控制問題進行了研究，設(shè)計了基于一致性的編隊控制協(xié)議，利用李雅普諾夫方法對閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行了分析。文獻[17]對有向切換拓?fù)浼s束下的編隊控制問題進行了研究，利用空間分解與狀態(tài)變換方法將編隊控制問題轉(zhuǎn)換成了一致性問題，給出了多無人機實現(xiàn)編隊的判據(jù)，得到了編隊參考函數(shù)的顯示表達式。文獻[18]研究了存在切換拓?fù)渑c通信延遲約束下的多無人機編隊控制問題，給出了基于一致性的分布式編隊控制器，探討了在多約束條件下實現(xiàn)編隊的可行條件。文獻[19]研究了三維空間下的多無人機編隊控制問題，將基于一致性的編隊控制器引入到群系統(tǒng)中，分析了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實現(xiàn)了多無人機之間的高精度編隊任務(wù)?；谝恢滦缘木庩牽刂品椒▋?yōu)點是采用分布式拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，兼顧了魯棒性與實時性，可進行大規(guī)模的擴展等；該方法的缺點在于理論不成熟，具有較大的發(fā)展空間。

目前，編隊控制在協(xié)同控制領(lǐng)域的工程應(yīng)用成果較為豐富。文獻[20]研究了基于領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者編隊控制方法，同時通過2架固定翼驗證了算法的可行性。文獻[21]中通過多架四旋翼驗證了編隊控制算法的可行性。文獻[22]通過室內(nèi)多四旋翼平臺驗證了基于虛擬結(jié)構(gòu)的編隊控制方法的可行性。文獻[23]中研究了存在參數(shù)不確定性的編隊控制問題，并通過3架四旋翼驗證了理論結(jié)果。文獻[24]中對基于單旋翼無人機的領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者編隊控制問題進行了研究，通過2架單旋翼無人機完成了領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者編隊實驗，驗證了算法的有效性。文獻[25]中研究了具有六自由度欠驅(qū)動模型的多旋翼無人機編隊控制問題，提出了基于虛擬結(jié)構(gòu)的編隊控制策略，在室內(nèi)環(huán)境下完成了固定隊形的編隊控制實驗，取得了良好的實驗效果。文獻[26]研究了基于一致性的多無人機時變編隊控制問題，并通過5架四旋翼驗證了控制算法可行性。

3.2 合圍控制

在合圍控制問題研究中，文獻[27]較早地研究了合圍控制問題并提出了一種基于停-走策略的合圍控制方法。文獻[28]研究了在非線性與干擾約束下的多無人機合圍控制問題，根據(jù)有限的鄰居信息設(shè)計了分布式合圍控制器，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法補償了系統(tǒng)中非線性部分，最終通過李雅普諾夫穩(wěn)定性理論證明了控制系統(tǒng)的收斂性。文獻[29]研究了執(zhí)行機構(gòu)與傳感器故障約束條件下的合圍控制問題，設(shè)計了分布式干擾觀測器，估計了幾種典型故障帶來的偏差，根據(jù)反步控制方法實現(xiàn)了多無人機的合圍控制，最后通過圖論與李雅普諾夫方法證明了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻[30]研究了通信延遲約束下的編隊合圍控制問題，分別面向領(lǐng)導(dǎo)者和跟隨者設(shè)計了基于局部狀態(tài)反饋的編隊合圍控制器，給出了群系統(tǒng)實現(xiàn)編隊合圍的充分條件及對編隊合圍控制器進行中增益矩陣求解的算法。最后，通過無人機群系統(tǒng)進行了仿真驗證，證明了編隊合圍控制算法的可行性。文獻[31]研究了有向圖下的多無人機編隊合圍控制問題，通過狀態(tài)空間分解，將編隊合圍問題轉(zhuǎn)換成了穩(wěn)定性問題，給出了實現(xiàn)編隊合圍的充要條件。最后，通過多架四旋翼無人機進行了實物驗證，證明了該算法取得了良好的實驗效果。

3.3 跟蹤控制

在跟蹤控制研究方面，文獻[32]研究了輸入約束下的多無人機跟蹤控制問題，通過自適應(yīng)狀態(tài)觀測器估計了未知目標(biāo)速度信息，提出了基于滑膜思想的控制方法，實現(xiàn)了對目標(biāo)軌跡的跟蹤。文獻[33]針對非合作目標(biāo)的多無人機跟蹤控制問題進行了研究，根據(jù)多無人機與目標(biāo)之間的相對幾何關(guān)系設(shè)計了跟蹤控制器，分析了多無人機實現(xiàn)跟蹤控制的可行性條件。文獻[34]對通信時延約束下的編隊跟蹤控制問題進行了研究，提出了基于一致性的分布式編隊跟蹤控制方法，探討了在通信延遲約束下實現(xiàn)編隊跟蹤的可行性條件。文獻[35]對切換拓?fù)浼s束下的多無人機編隊跟蹤控制問題進行了研究，基于無人機與目標(biāo)之間的相對運動信息設(shè)計了編隊跟蹤控制器，在切換拓?fù)浼s束下，通過多架四旋翼無人機驗證了編隊跟蹤控制算法的可行性。

4 總結(jié)與展望

本文總結(jié)了多無人機協(xié)同控制方法的分類與協(xié)同控制的體系結(jié)構(gòu)，給出了多無人機協(xié)同控制方法的研究現(xiàn)狀，介紹了其在編隊控制、合圍控制以及跟蹤控制方面取得的研究成果。目前，多無人機協(xié)同控制方法的研究還處于發(fā)展階段，未來主要研究發(fā)展方向有以下幾點：

(1)基于一致性的分布式協(xié)同控制方法

集中式協(xié)同控制方法存在過度依賴中心節(jié)點等問題，在實際對抗環(huán)境下的應(yīng)用存在限制。基于一致性的分布式協(xié)同控制方法不依賴于全局通信網(wǎng)絡(luò)，只需要通過局部無人機之間的信息交互就可以保證多無人機協(xié)作過程的一致，共同實現(xiàn)預(yù)期的任務(wù)目標(biāo)，是未來多無人協(xié)同控制技術(shù)研究的方向之一。

(2)有人/無人機混合協(xié)同控制方法

由于目前單架無人機的智能化水平十分有限，需要配合人類的決策能力才能提高整體的效率。因此，通過有人/無人機混合協(xié)同控制，使有人機進行任務(wù)分配與決策，下達指令給無人機去執(zhí)行任務(wù)。該模式既提高了有人機的生存能力，同時也提高了整體的作戰(zhàn)效能, 是未來重要的應(yīng)用研究方向之一。

(3)復(fù)雜環(huán)境下的多無人機協(xié)同控制方法

在多無人機集群作戰(zhàn)過程中，由于戰(zhàn)場環(huán)境復(fù)雜多變，無人機之間的通信拓?fù)鋾l(fā)生變化，信息傳輸?shù)倪^程中會伴有通信延遲與噪聲干擾，這些影響因素在多無人飛行器群系統(tǒng)中不可避免，對協(xié)同控制造成的影響不容忽視。因此，面向復(fù)雜環(huán)境下的協(xié)同控制方法研究也是未來的主要發(fā)展方向之一。

總之，在未來信息化、智能化的作戰(zhàn)背景下，多無人機集群作戰(zhàn)將成為重要的作戰(zhàn)手段，進一步開展多無人機協(xié)同控制技術(shù)的研究工作具有重要意義。