多無人機協同控制現狀及發展前景探究

劉承相，熊俊杰，魏秀玲，孫多

（吉林動畫學院民航學院，吉林長春，130000）

0 引言

為了減少在未來戰爭中人員的傷亡，無人機在戰爭中的使用愈發普遍，其占比也越來越多。除了在軍事戰爭中的使用外，面對惡劣天氣的時候，對于火山的勘探、交通管制和人工降雨方面無人機可以充分發揮自己的功能和優勢。現如今科學技術突飛猛進，有好多領域都是依靠無人機才得以實現，無人機從最開始的單機完成任務到現在執行編隊飛行任務，是一個從低級使用到高階運用逐步進化的過程。無論是在民用領域和軍事領域，科研人員都很清楚一加一大于二，所以多無人機與單機相比較，具有很大的優勢，主要體現在一下三方面。其一，多無人機在任務完成率方面比單架相比高出幾倍；其二，單架的任務完成時間比較慢，而多無人機比較快，大大縮短了任務完成時間；其三，增加信息感知量，單架無人機與多無人機相較，在相同環境下獲取信息，不如多無人機信息獲取的全面、廣泛，可提供給決策者的信息不如多無人更準確，以上充分印證了多無人機協同控制達到的效果遠遠超過單架無人機，整體時效能較強。

1 國外發展現狀

就目前多無人機協同控制技術發展而言，美國的研究成果最為顯著。美國的科研單位和軍事院校，早在幾年前就已經開展了對該控制技術的研究工作，大量的研究工作也是針對美國軍隊和軍事需求逐步延伸的。多無人機協同控制技術整體可分為三部分，分別為編隊控制、航跡規劃和任務分配。

1.1 編隊控制

多無人機編隊控制技術主要是為了能夠保證無人接任務順利完成，具體是指多無人機根據戰爭環境、因素以及態勢按照一定的隊形排列開，倘若其中某架無人機因特殊原因無法繼續參與執行任務，剩下的無人機也可重整隊形。圖1所示的是目前多無人機編隊的可控制方法。一種為領航-跟隨法，這種隊形最前面的一架無人機被稱之為領航者，隊形中其他無人機均稱之為跟隨者。而另一種為虛擬領航法，該方法是根據多無人機飛行航跡選擇一合適固定點，編隊中的所參與的無人機均是根據這一固定點來飛行，不存在領航者，也不需要領航者來引航。

1.2 多無人機協同航跡規劃

多無人機協同航跡規劃具體是指該機群整體性能達到最優的情況下，為其規劃出一條從開始到目標點的航跡，而無人機群航跡的規劃既是滿足多無人機群的約束條件，還是性能指標最優的航跡，確保多無人機群安全、快速的運動至任務區域，極大程度的降低了被敵方發現和摧毀的概率。文獻[1]通過對群蟻算法的改進來規劃航跡，不但突破了多無人機航路規劃中的不足，還根據試驗結果找到了多無人機最優的航跡規劃方法。

1.3 多無人機協同任務分配

為了提升多無人機任務完成的效率，縮短任務完成時間，多無人機可根據人們的需求對任務進行協同分配，以獲取最大效益為目的。文獻[2]中基于云架構的有/無人機協同作戰任務分配方法；文獻[3]基于一致性群組算法的多無人機自主協同任務分配，根據整個機群的運動狀態進行任務分配，通過試驗表明該方法的有效性。

2 多無人機協同控制面臨的挑戰

軍事作戰中，雙方的對抗性較強，且戰爭環境和戰爭條件變化快，鑒于該情況的出現，多無人機協同控制在軍事方面的需求也愈加強烈。為了充分發揮無人機自身在軍事作戰任務中的作用及優勢，多無人機除了在任務執行中根據現實情況變化外，還要對戰場上的態勢和環境因素進行考慮，圖2是多無人機在協同控制方面所面臨的挑戰[4]，具體體現如下。

圖2 無人接協同控制面臨的挑戰

傳統的軍事戰爭與現代戰爭不同，現代戰爭不僅僅在陸地，還有海上和空中，作戰環境和態勢更是瞬息萬變。此時，可依靠多無人機協同控制技術實現機群中的通信，獲取較為全面的數據信息，并在較短的時間內實現傳輸，在傳輸過程中要排除網絡、電磁和天氣因素的影響，無形之中為多無人機的性能提出了更高的要求，所以在通信鏈路過程中，多無人機協同控制的關鍵就是保持通信通暢。

時效性在現代軍事戰爭中有著重要作用，受天氣原因、作戰環境和作戰條件的影響，急需多無人機在有限的時間內做出應對，比如：飛行的高度、運行的速度以及編隊的結構等等，都需要在原有的基礎上進行改變。多無人機協同控制與有人機和單架無人機不同，多無人機協同控制不僅要對整個機群進行考慮，還要對單架飛機的控制進行考慮，準確抓住時效性，進一步提升整體無人機執行任務和生存的成功概率。

多無人機協同控制技術發展是一項由低到高的過程，執行任務也從最初的簡單變的愈加復雜，同時，無人機的控制對實時性的應對變化要求也越來越嚴格。該項技術主要包括機群間的信息融合、協同控制和傳感測量等。若多無人機同時執行一項任務時，比如，火山勘查、土地灌溉等，計算量就相當龐大了；若是多無人機同時執行多項任務時，比如交通勘查、打擊任務或者毀傷評估任務時，對于多無人機的計算量呈指數增長，這無疑對多無人機協同控制提出更大的挑戰。

隨著世界的發展多無人機在未來戰場中所面臨的環境與現在所面臨的作戰環境相比較，要復雜的多，變化也非常快。環境的變化本就非常頻繁，人為不可預測，再加之未來的發展中環境的改變也會摻雜一些人為因素，所以，在戰爭中對于環境變化問題是不可忽視的。為了使多無人機能夠從容的面對這些情況，并對復雜變換的戰爭環境制定有效的應對措施，必須大力發展多無人機協同控制技術，這也是我國在未來軍事戰爭和民用方面中的一大挑戰。以上幾種因素交織在一起肯定會衍生出更多的問題，在這種情況下為了保證多無人機的作戰手段和方式得以重視，就一定要克服作戰過程中所發生的困難。

3 未來的發展趨勢

單架無人機在軍事戰爭中面對環境、天氣以及作戰態勢等的復雜變幻因素時，已經無法滿足也無法在時效內做出應對，所以對多無人機協同控制技術研發是迫切需要的。近幾年，多無人機協同技術所執行的任務比較簡單，面對的作戰環境也比較單一，并且對于多無人機的時效性要求并不是特別嚴格。但是站在未來戰場的角度出發考慮，就發展趨勢而言，在未來戰爭中多無人機將要面臨的作戰環境肯定是較為復雜且實時變化的，與之前多無人機執行任務時的運動狀態截然不同。同時，多無人機還要利用網絡條件與其他作戰的指揮平臺進行通信，通過傳遞信息制定作戰計劃。以下幾點是多無人機協同控制技術在未來發展中的主要表現[5]。

3.1 不同類型的多無人機協同控制

為了減少人員傷亡和財力消耗，在未來的戰爭中肯定是以無人機為主導，戰場也將是多無人機的戰場。未來戰爭中關于空中打擊、敵方偵查、戰機格斗以及空中加油、部署戰略等方面，僅僅依靠單一無人機無法完成，屆時可以根據未來戰爭的需求對多無人機協同技術進行研究，盡早實現各種類型的多無人機協同控制作戰的完整體系，為多無人機結合作戰環境凸顯其作戰特點奠定扎實基礎[6]。

3.2 復雜、動態變化的戰場環境中的多無人機協同控制

多無人機協同控制技術在面對微小的環境變化或者靜態環境下執行任務時，是很容易實現的，但是在未來戰爭中，無論是空中作戰還是海上作戰，多無人機所要面對的環境實非常復雜的，動態變化頻繁，所以多無人機協同控制技術在面臨這些因素時也隨之發生變化，并再時效內制定相應的作戰計劃，合理的分配作戰任務，圖3所示。其中的領航者在下達這些指令時，還要對跟隨者進行考慮，避免在指令下達后隨行者因突發情況不能參與執行任務，還要對作戰中可能出現的威脅和敵機數量進行考量。正因如此，多無人機協同控制技術必須具備在未來戰場中，對于環境變化能夠作出應急反應的能力，這也是該技術研究過程中的重點之一。

圖3 復雜的戰場環境

3.3 網絡化條件下的多無人機協同控制

利用無人機進行空中作戰肯定是最好的選擇，既為減少了人員傷亡，又減少了財力消耗。但是在未來的軍事戰場中，不僅僅只有空中作戰，還有海面和陸地作戰，同時還涉及到網絡和電磁為一體的戰場，充分證明軍事作戰的復雜性，只有單一的無人機作戰也不能完成。一個綜合的作戰平臺大致可分為六部分，除了多無人機平臺外，還需要有海上作戰平臺、陸地后勤指揮部、大氣層外的人造偵查衛星和電磁干擾、網絡信息化平臺等，這才是完整的軍事作戰體系。為了保證該體系順利運行，關鍵在于網絡，但是網絡可能會由于電磁干擾、大氣干擾、氣候溫度等苛刻的條件出現通信帶寬受限、延時太長、傳輸信息丟失等情況。因此，研究解決網絡化條件下的多無人機協同控制技術具有十分重要的意義[7]。

4 結語

隨著多無人機協同環境感知、多無人機協同任務分配、多無人機在線協同航跡規劃、多無人機協同編隊等關鍵技術的突破，多無人機協同控制在軍事和民用領域將會越來越受到重視[8-9]。多無人機協同控制作為一個前沿的研究方向，涉及的學科、領域都比較多，進一步拓展通信鏈路暢通、任務解耦問題、協同控制算法的研究，將加快多無人機協同控制器實用化進程。