高速靶機多機協同飛行控制技術研究

劉俊雲 張振興 楊方偉 宋少杰

分析了高速靶機多機協同飛行控制的路徑規劃與編隊控制問題。通過對經典控制方法以及Dubins路徑規劃算法的復合應用研究，并針對高速特征，研究了基于多機多狀態復合交互前饋控制方法，解決了高速狀態下多機協同控制的時滯敏感性問題，實現了高速靶機路徑規劃與編隊控制的多機協同飛行的關鍵技術，并通過半實物仿真實驗驗證了算法的有效性，為飛行驗證提供了理論支撐。

隨著軍事訓練和試驗要求的不斷提高，單架無人機飛行已越來越無法滿足相關的任務需求。與單機飛行相比，通過充分發揮多無人機協同飛行的性能特點，實現協同控制下無人機間的戰術和技術配合，可以有效模擬假想敵空戰武器多方位、多波次、飽和攻擊的效能，可以有效訓練和檢驗裝備運用、人員操作、系統聯動、指揮決策等綜合戰斗能力。

所謂多無人機的協同編隊飛行，就是將多架具有自主飛行功能的無人機按照一定的結構形式進行三維空間排列，使其在飛行過程中保持穩定的隊形，并能根據外部情況和任務需求進行動態調整，以體現整個機群的協同一致性。

與通常無人機編隊相比，靶機同空協同編隊飛行有著一定的特殊性，更聚焦模擬多無人機從不同方向對同一目標或多個目標同時進行攻擊，或者對單個或多個目標按照某種時間序列發動準時打擊，從而達到效果最佳。這時，如何為每一架靶機生成有效路徑，并協調無人機的到達時間，是有效完成任務的前提條件。因此，為保證多無人機協同編隊高效完成指定任務，需要首先預先初步設定與實踐匹配的基本路線，以確定其應該何時何地執行相應動作。隨著任務復雜性和飛行環境復雜多變性逐漸增加，預規劃航跡往往不能滿足實際需求，需要結合環境和任務進行實時評估，完成實時在線航跡重構。

無人機的航跡規劃是指在特定的約束條件下，尋找滿足無人機任務需求、自身性能及戰場環境信息約束下，設計合理的飛行路線，以最大限度的保障無人機從起始點到目標點完成任務飛行。其核心是在綜合考慮無人機平臺約束和環境約束前提下，如續航時間、油耗、機動性能、威脅等，設計最優或較優的航跡。

多無人機協同路徑規劃要求根據任務約束條件、無人機性能以及戰場環境等因素同時為多架無人機設計完成任務的多條飛行路徑，并滿足多無人機在時間和空間上的協同關系。多無人機協同路徑規劃的根本目的就是為每架無人機生成一條滿足約束的路徑，使他們能夠同時或按一定時間間隔抵達各自目標位置，并盡量提高無人機集群的整體生存概率和作戰效能。這樣生成的路徑對單個無人機來說不一定是最優的，但對于整個無人機集群來說，卻必須是最優的或近似最優的。

本文選擇典型多無人機編隊飛行案例，從多機協同路徑規劃和多機協同編隊控制兩個方面進行了多無人機協同編隊飛行技術研究：基于Dubins路徑規劃算法研究了多無人機協同路徑規劃算法;基于速度、位置控制算法研究了多無人機協同編隊控制算法。

任務分析

在實際作戰過程中，典型多無人機協同編隊飛行執行任務，可根據無人機飛行特點的不同劃分為三個階段，如圖]所示。

（1）各無人機在不同時間點、不同位置點進行起飛，之后要求飛機在指定時間點同時到達到指定位置集結點，進行編隊集結，此段稱之為起飛集結段;

（2）多無人機完成設定隊形集結編隊后，按照任務約束執行編隊任務飛行。根據任務需求，編隊無人機自主完成隊形變換、重構等操作，此段稱之為任務飛行段或編隊飛行段。

（3）編隊無人機完成任務后，在指定區域解散飛行編隊，各無人機依次完成返航、回收等操作，此段稱之為任務解除段。

其分層遞階結構圖如圖2所示。多無人機編隊飛行任務（任務層）根據多無人機編隊飛行的任務需求或指令，確定無人機編隊所要執行的具體任務，并給出任務執行時間;多無人機協同航跡規劃（導航層）根據任務需求結合飛行環境為無人機規劃出符合任務執行需求的飛行路徑，各無人機之間需在空間、時間上進行協調，從而有效引導無人機在指定時間到達指定任務區域;多無人機協同編隊控制（制導層）則直接面向無人機的任務執行，生成無人機編隊隊形并控制多無人機編隊飛行與路徑跟蹤;無人機平臺底層控制（控制層）完成無人機姿態控制、速度跟蹤控制、位置跟蹤控制等，實現上層指令的快速有效響應。

為了實現多機協同飛行，各無人機間需要協同交互的狀態信息包括：各無人機的三維位置、三維位置設定、速度、速度設定、姿態（俯仰角、滾轉角、航向角）以及姿態設定等信息，通過基于Dubins路徑規劃原理與狀態反饋協同閉環、狀態指令前饋復合應用，構成多機協同編隊飛行控制技術方案?？傮w技術方案原理圖如圖3所示。

算法設計

基于Dubins路徑原理的協同路徑規劃技術

Dubins路徑的原理是，在二維平面中兩個矢量之間最短的路徑就是圓弧及其切線組成。在已知第n，n=1，2…，m個無人機出發點坐標P_ns（x_ns，y_ns）、初始速度向量_ns，終點坐標P_nf（x_nf，y_nf）終點速度向量v_nf，轉彎半徑r_nij≥R_min，i=1，f，j=1，2，R_min為最小轉彎半徑的情況下，求解從P_ns（x_ns，y_ns）到P_nf（x_nf，y_nf）點，滿足多無人機同時到達指定位置的飛行路徑，如圖4所示。

該問題的求解算法描述如下：

步驟]由各無人機起始點信息P_ns（x_ns，y_ns）、V_ns、r_ns1、r_ns2確定起始圓C_ns的位置和大小，分別得到左盤旋和右盤旋兩個起始圓C_ns1和C_ns2由終點信息P_nf（x_nf，_nf）、V_nfr_nf1、r_nf2確定目標圓C_nf位置和大小，得到右盤旋和左盤旋兩個目標圓C_nf1和C_nf2。

步驟2根據無人機由起始點到目標點的盤旋飛行方式不同，分別按照無人機右盤旋到右盤旋（RR）、右盤旋到左盤旋（RL）、左盤旋到右盤旋（LR）、左盤旋到左盤旋（ LL）計算各無人機在起始點、目標點的轉彎圓曲率k_nsk和k_nsk、轉彎角度φ_nsk和φ_nfk、直線飛行長度a_nk，從而得到各無人機滿足約束條件的最短飛行路徑H_n。

k={RR，RL，LR，LL}

其中，h_k表示路徑長。

步驟3以各無人機最短飛行路徑最大值為H=

H_n參考路徑，各無人機基于自身機動性能約束、速度約束、加速度約束，及時間約束，調節各無人機盤旋半徑，得到無人機飛行路徑。

步驟4根據無人機縱向和橫向運動的特點，將三維空間的運動分解咸水平方向上位置調整和垂直方向上的高度調整。

步驟5考慮各無人機之間的碰撞回避以及同時達到目標點等約束，基于無人機性能包線進行路徑搜索，獲得多無人機協同飛行路徑。

基于復合控制算法的協同編隊控制技術

多機協同路徑跟隨控制可分為長機的路徑跟隨控制、僚機的編隊控制和單機飛行控制。最優路徑規劃技術給出編隊飛行軌跡，長機通過路徑跟隨控制系統跟隨路徑。僚機根據編隊間的信息交互，由編隊控制系統得出需要的飛行控制指令，傳遞給僚機自身的飛行控制系統。最終，通過三個控制系統形成多機協同跟隨控制的大閉環，其結構如圖5所示。

以兩架無人機水平編隊飛行為例，可根據長機和僚機之間的幾何關系相對距離及長機和僚機的飛行速度、航跡方位角、三維坐標等參量，在慣性坐標系速度坐標系建立水平面上的相對運動模型，如圖6所示。

其中坐標系為固連于僚機的旋轉參考系，方向與僚機的速度方向一致，x、y為在固連于僚機的旋轉參考系中長機與僚機之間的相對距離在x軸和y軸上的分量，V_L，v_W別為長機與僚機的水平方向上的速度，ψ_L，ψ_W分別為長機與僚機的航向角;定義ψ_E=ψ_L-ψ_W為偏航角偏差，即長機與僚機速度向量之間的夾角;定義長機垂速為

，僚機垂速為

，則長機與僚機的相對運動方程為

長機和僚機速度為

僚機編隊控制目的是保持長機與僚機之間的相對位置關系。利用長機傳遞給僚機的信息，經過編隊控制模塊，可生成控制指令傳人飛控系統。

基于多狀態前饋復合控制的高速靶機協同控制技術

編隊控制可分為高度、前向和側向三個方向。高度通過高度回路，前向位移通過地速，側向位移通過滾轉角控制。三個方向控制律為：

（1）前向

v₀為前饋補償，用于補償長機與僚機的速度指令偏差，滾轉時轉彎半徑不同引起的速度偏差。

（2）縱向

H_wg=H₀

H₀為前饋補償，用于補償長機與僚機的高度指令偏差。

（3）側向

γ₀同樣為前饋補償，用于補償長機與僚機的滾轉指令偏差，同時還有滾轉時僚機落后長機而引起的航向角偏差。為了增加側向位置控制精度，側向采用雙積分控制，即側偏積分和滾轉角積分。

前饋的復合應用，旨在有效的解決高速狀態多機協同控制的實時性、快速性問題，實現高動態、高精度協同規避與編隊控制技術。

仿真實驗

本文以某型高速無人機的3機協同編隊飛行為例進行仿真試驗。3架無人機在不同的位置起飛，15min后同時到達指定集結點進行編隊集結，組成三角形編隊進入任務段飛行。1號機為長機;2、3號機為僚機。根據設定的任務要求進行集結，并編隊飛行至任務點完成任務。各無人機起飛點、集結點、任務點仿真初始條件如表1所示。

無人機飛行速度約束v∈[120m/s，200m/s]，縱向加速度約束a∈[0m/s²， 2m/s²]，轉彎半徑r≥4km，最大爬升俯沖率p∈[-15m/s，20m/s]：

無人機起飛后，3機協同飛行至集結點、任務點的飛行軌跡，如圖7所示。

無人機達到集結點后，長機（無人機1）從集結點由路徑規劃飛往任務點，僚機（無人機2/3）根據編隊隊形，跟隨長機。其中，僚機跟隨長機保持隊形時，距離隊形目標位置偏差如圖8所示。

仿真結果顯示，3機協同路徑規劃能夠根據任務設定的相對位置、速度、航向規劃出符合要求的三維路徑。同時，根據規劃獲得的路徑，多機協同跟隨控制算法控制無人機跟隨路徑，并按照既定的編隊隊形快速完成隊形的變換、保持隊形的相對位置，順利完成設定任務。

結論

當前無人機的迅猛發展和廣泛應用對多機協同控制技術提出了更高的要求，本文立足于多無人機協同編隊飛行控制技術需求，為多無人機協同編隊提供一種協同規劃路徑與協同編隊控制的方法，并通過仿真和飛行試驗驗證了該方法的可行性。