基于沖突觸發避碰機制的無人飛行器集群協同制導技術

韓煜, 宋韜, 鄭多, 劉鑫

(1.北京理工大學 宇航學院, 北京 100081; 2.航天科工智能運籌與信息安全研究院(武漢)有限公司, 湖北 武漢 430040)

0 引言

近年來,無人飛行器技術快速發展,已經廣泛應用于軍事和民用等多個方面,然而飛行器單體由于其攜帶載荷有限、生存能力低、作戰效能不足等劣勢,已無法滿足現代任務需求。

受自然界中生物集群現象的啟發,群體內的協調合作具有高效率、高容錯性和內在并行性等優點[1]。飛行器集群協同能夠形成一個信息共享、功能互補、目標一致的作戰群體,利用群體優勢突破敵方的防御體系,提升突防能力和打擊效能。然而在飛行器協同打擊過程中,大量飛行器在同一空域飛行,飛行過程中產生的空氣紊流會對其他飛行器的穩定性造成影響。飛行器之間距離較近時,由于尾渦氣流的影響可能導致鄰近飛行器失穩;若距離過近,甚至會導致其直接相撞。因此,如何在不影響協同打擊任務的前提下,提前檢測到可能發生的碰撞,并及時進行小范圍機動以避免飛行器間相互碰撞,是飛行器集群協同中必須解決的問題,對飛行器協同智能化水平的提升具有重要意義。

對于無人飛行器集群而言,考慮避碰約束的集群協同打擊問題是飛行器集群應用的重要模式,具有較強的現實意義和科學價值。考慮避碰約束的無人飛行器集群協同打擊問題可以分為協同制導和多機避碰兩個子問題。

關于協同制導問題,文獻[2]針對多智能體協同問題,提出了協調變量的概念,來達到協同的目的。文獻[3]基于協調變量概念,研究了導彈協同打擊過程中,飛行時間一致約束的制導律。文獻[4]針對同一組導彈飛行過程中的協同控制問題,提出了一種基于領彈-被領彈結構的協同制導律。文獻[5]針對多導彈同時打擊目標的問題,建立了上層協調控制與底層導引控制分離的雙層協同制導結構,并設計了具有解析形式的制導律。文獻[6]基于攻擊時間協同制導律,針對多彈同時打擊實現協同突防問題,研究了基于彈目距離協同的制導律。文獻[7]針對高超聲速目標的攔截問題,研究了分布式2階的一致性算法。文獻[8]針對攻擊剩余時間計算問題,研究了直接協調各導彈剩余時間差的分布式協同制導律,避免了期望剩余時間的計算。文獻[9]設計了基于理想超前角的協同控制方案,以提高領從集群的目標狀態觀測精度,進一步減小了脫靶量。文獻[10]在目標跟蹤及協同算法的基礎上,設計了離線運動規劃器,具有一定的路徑規劃和避碰能力,以及更好的協同效果。文獻[11]提出了基于深度確定性策略梯度下降算法的強化學習制導律,修正了剩余飛行時間估計方程,進一步提高了協同制導打擊精度,減小了協同打擊的時間誤差。

關于飛行器集群避碰問題,NASA最早于1997年開展了關于沖突檢測和消解的研究[12]。文獻[13]研究了飛機避碰過程中飛行器的機動決策方法。文獻[14]構建了多機的三維非線性點質量模型,研究了利用平滑函數進行約束、處理沖突消解問題的方法。文獻[15]采用混合整數線性規劃方法,求得避碰機動策略的優化解。Hill等應用分布式方法,進行了多機避碰機動過程的解算[16]。文獻[17]基于分布式集群系統架構,針對飛行器集群避碰問題,研究了融合分布式決策和集中式協調的方法。文獻[18]對多個飛行器群的避碰問題進行了建模,提出了集群間避碰的基本方法。在文獻[18]的基礎上,文獻[19-20]構建了包含飛行器的凸區域,應用分布式方法優化集群協調方法,最終得到全局收斂解,但計算量較大。文獻[21]對飛機速度大小和方向進行調整,通過多次離線迭代并設計優化函數,得到了避碰可行解及燃耗最優解。文獻[22]提出了基于深度神經網絡強化學習的自主避碰決策方法,通過集中訓練和分布控制滿足了高航路密度場景的避碰過程。 文獻[23]采用勢場法和模糊推理的方法,得到了低速條件下的多機避碰避障方法。文獻[24]通過構建避碰地圖,對多機避碰過程進行預測,得到了燃耗最優解。

綜上所述,現有研究中大多只是獨立考慮協同制導過程,或單獨考慮集群避碰過程。而很少對無人飛行器集群協同制導過程中可能發生的彼此碰撞問題開展研究。協同制導過程中的避碰問題不但要考慮飛行器之間避免碰撞,還要兼顧協同制導任務的完成,具有其獨特的復雜性。

本文面向未來飛行器集群協同作戰的任務需求,研究高動態條件下考慮飛行器避碰約束的大規模飛行器集群協同打擊問題。首先建立安全區模型,構建切線機動求解策略,通過一次解算和篩選得到避碰控制量。在此基礎上,利用沖突觸發避碰機制實現飛行器間的協同和避碰,避免碰撞的同時提升協同打擊效能。本文提出的考慮避碰約束的協同制導方法可以降低機動求解的計算量,簡化信息交換和迭代過程,減少信息交換的頻率,降低分布式飛行器集群間的通信要求,更加適應戰場中復雜的通信環境,提高復雜通信環境下大規模飛行器協同過程中的安全性和飛行器集群協同打擊效能。

1 問題描述

1.1 協同避碰問題

考慮避碰的無人飛行器集群協同制導問題可描述為:在同一空域內,飛行器集群在保證不碰撞的前提下,同時刻到達各自攻擊的目標,以保證最大毀傷效果。目標可為多個固定目標(如堅固工事、陣地火力點等)和移動目標(如裝甲集群、運輸車隊等)。

設集群內共有N個飛行器U={U1,U2,…,Ui,…,Uj,…,UN}和N個目標T={T1,T2,…,Ti,…,Tj,…,TN},如圖1所示。假設編號為i、j(i,j∈[1,N])的飛行器Ui與Uj間存在信息交換,其中飛行器Ui初始坐標為(xi,yi),目標為(xTi,yTi),飛行過程中Ui可以與一定距離內的鄰機Uj進行信息交換,獲取其位置(xj,yj)、速度vj、安全距離rs(j)、到達目標的預計剩余時間tgo(j),通過控制剩余時間tgo一致,實現時間協同。當檢測到一定時間τ內可能碰撞時,需要進行避碰機動。

圖1 飛行器避碰過程

1.2 飛行器運動學模型

本文以某小型固定翼無人飛行器為研究對象,其二維平面內的運動可通過如下運動學模型描述:

(1)

(2)

(3)

(4)

ai(t)∈[amin,amax]

(5)

如圖2所示,當飛行器的飛行速度和航向滿足交匯條件時,如果飛行器不進行航向機動或速度調整,則飛行器會在黃色區域產生碰撞。因此,本文研究在不影響既定任務的前提下,產生沖突(存在碰撞危險)的飛行器如何協調航向角進行機動,以避免碰撞發生。

圖2 無人飛行器碰撞示意圖

2 考慮避碰約束的協同制導策略

2.1 航向調整機制

本文的避碰策略是基于當前時刻飛行器集群狀態產生的,通過求解飛行器當前時刻的最佳速度方向進行避碰。然而,實際的調整過程中,飛行器航向和飛行軌跡的調整并不是瞬時完成的。因此在預估的飛行時間τ內,想要達到飛行器的速度、位移都調整至同一方向,就需要采用Dubins曲線對其機動能力進行限制,而不是單純地對航向角變化率ωmax進行限制。

圖3 角度跟蹤過程

由圖3可知,無人飛行器Ui先以點C1為圓心,最大的角速率調整其飛行方向θ1直到A點。再以點C2為圓心,最大角度率相反方向調整θ2直到B點,對θ1、θ2進行求解,即

(6)

(7)

考慮到Ui在起始時刻開始以C1為圓心調整運動方向,因此可以根據Ui在初始時刻的位置和運動方向得到C1的坐標位置,即

(8)

(9)

對于B點坐標,同理可得

(10)

式中:t1為OA段機動所用時間。圓弧OA、AB在A點相切,均以最大角速度進行機動,因此有

(11)

根據式(8)與式(11),可以求出可跟蹤機動角度的最大值,限制飛行器的機動能力,以滿足實際飛行情況。

基于本文提出的沖突消解策略,下面對其可行性進行分析:

假定兩架飛行器最大機動角速度均為ωmax,根據式(8)、式(11),可以得到關于飛行器最大機動能力的方程:

(12)

求解得到飛行器最大機動角度φmax。對于τs后相撞的機動性能相同的兩架飛行器,設其飛行速度為v,飛行器速度的夾角為φ〈i,j〉。則飛行器避碰后的相對速度方向與初始相對速度方向的夾角為φmax,飛行器間最短距離Rmin=R0·sin(φmax),其中R0為兩個飛行器間的初始距離。設兩架飛行器沖突時,rs(ij)為飛行器Ui與Uj安全距離的最大值,rs(ij)=max(rs(i),rs(j))。則當初始條件滿足Rmin>rs(ij)時,本文所提出的避碰方法可以消解兩架飛行器間的沖突。

對于飛行器集群的沖突消解過程,任意兩架飛行器都滿足上述條件時,即可通過本文提出的飛行器集群避碰方法進行避碰。

2.2 沖突觸發機制下的飛行器集群避碰方法

2.2.1 切線約束避碰策略解算

圖4 切線約束示意圖

對于飛行器Ui,為避免與Uj沖突,需要通過調整vi的方向進行避碰。兩架飛行器間避碰求解過程如圖5所示。圖5中,h為飛行器Ui的速度在相對速度切線ij垂直方向上的投影長度,為飛行器Ui和Uj的初始速度,為初始相對速度,為Ui、Uj的初始航向。

圖5 切線約束求解

1)由Ui和Uj的速度、位置可得安全區域的切線方向ij,即為Ui對Uj的相對速度vij的最優方向。

2)為將vij調整到ij方向,速度向量vi和vj應滿足:在垂直于切線方向上的速度分量為0 m/s,即滿足如下方程組:

(13)

3)在vj大小、方向不變以及vi大小不變的前提下,可以計算出飛行器Ui的最終航向角i,則飛行器Ui最終的機動角為為飛行器Ui機動前一時刻的航向角。

4)由于安全區有兩條切線,根據兩條切線可算出兩個機動角δφ1、δφ2。取其中幅值較小的機動角,作為飛行器Ui與Uj沖突時的避碰機動角δφij。

如圖6所示,當Ui、Uj相對飛行時,Ui在對稱條件下求得的機動策略δφ1、δφ2基本相同。此時若兩飛行器的避碰策略不同(一個順時針,一個逆時針)則可能導致碰撞加劇。為提升集群避碰效果,人為規定集群內所有飛行器在δφ1、δφ2的值相差較小時優先朝同一方向進行機動。本文中取角度相差小于0.01°時,優先選擇逆時針機動,可根據實際情況進行調整。

圖6 機動策略選擇

基于以上提出的沖突消解方法,兩架飛行器檢測到碰撞的危險時,可以提前進行規避機動,避免碰撞。

2.2.2 無解情況判斷與處置

在2.2.1節求解最終機動角度時,即式(13)求解過程中,若滿足如下條件:

vjsin(ij-φj)=h>vi

(14)

則飛行器Ui無法通過改變速度方向完成避碰,式(13)無解。如圖7所示。此時飛行器Ui的速度遠小于鄰機Uj的速度,只需鄰機進行機動,即可滿足避碰要求,飛行器Ui可不做規避機動求解。

圖7 無解情況

2.2.3 避碰機動決策

若飛行器Ui與飛行器Uj可能碰撞,則在飛行器Ui做出避碰機動后,求出機動后二者間達到的最短距離rij。由此判斷避碰機動的效果,即

(15)

由式(15)可知,對于距離較近的飛行器i與j,rij小使得效用函數取值更低,影響機動策略的選擇。對于安全性需求高的飛行器,其安全距離需求rs(i)較大,實際距離rij相同的情況下,rs(i)較大使得效用函數值低,對效用函數影響較大。本文對分布式架構的飛行器集群進行研究,因此每個飛行器僅能與固定范圍內的其他鄰機進行通信,設飛行器最大的通信距離為Rc。飛行器在通信距離Rc內,共產生ni個沖突,求在一個機動策略下,所有w的均值作為評價機動策略的效用函數為

(16)

飛行器Ui在ni對沖突中進行避碰求解,舍去無解的情況,保留有解的niu(u為可求解的沖突數量)個機動策略{δφi1,δφi2,…,δφiu}。根據飛行器Ui每個可行的機動策略,計算執行機動后的效用函數Wi。通過效用函數篩選出最優的機動策略,飛行器Ui的最終機動策略記為δφi。

避碰過程需快速消解集群內的沖突,若不盡快進行避碰機動,則可能在時間累積下使沖突加劇,在機動能力內無法消解,導致任務失敗。因此避碰所需的角速度為

ωc=δφi/dt

(17)

式中:dt為仿真步長;δφi為避碰過程中Ui求出的機動角度。

綜上,本文提出的協同制導過程中的避碰機動求解方法,僅利用局部信息交換和簡化的計算求解過程,便可以實現集群飛行器之間的避碰。

2.3 時空同步協同制導

2.3.1 時間管控

對于多飛行器的時間管控,采用雙層協同制導架構,控制預估的剩余時間相同,使飛行器同時到達目標,以增加飛行器的突防概率。飛行器Ui的剩余時間為

(18)

(19)

相對于離線的方法,在線協同可以實時更新信息,校準剩余時間,時間控制精度高。本文采用分布式通信架構(局部通信),通信拓撲可用一個無向圖進行表示,其矩陣形式如下:

(20)

式中:C為通信矩陣;cij為第i架飛行器Ui與第j架飛行器Uj之間的通信情況。當飛行器Ui與飛行器Uj間距離大于距離界限Rc時(根據實際情況決定),cij=0,代表Ui與Uj之間沒有信息交換;距離小于界限時,cij=1,代表Ui與Uj之間存在信息交換。式(20)中cij=cji代表此拓撲是一個無向圖。

故飛行器Ui期望的剩余時間為

(21)

再根據視線方向的距離和期望時間,即可求得期望的軸向加速度大小為

(22)

根據式(22)計算出的控制量為飛行器的加速度大小,采用4階龍格-庫塔法進行數值積分,計算并更新飛行器的狀態。

由于飛行器間的距離不斷變化,矩陣C是時變的。飛行器根據當前的C矩陣,每個仿真步長進行一次信息交換。

2.3.2 多約束制導策略

為保證在飛行器集群協同制導過程中避免飛行器間彼此碰撞,多約束制導策略需要在滿足飛行器的速度、角速度等約束下,保證飛行器間的安全距離小于設定值,且最終能夠實現時空同步攻擊目標。圖8為協同與避碰過程示意圖。

圖8 協同與避碰過程

(23)

式中:ωk為比例導引過程計算的角速度值。

為同時滿足避碰和協同制導的要求,設計碰撞情況下基于沖突觸發機制的航向角快速調整策略,即:1)正常狀態下,飛行器實時調整航向角速度,滿足協同制導所需的機動;2)預估時間τ內會發生碰撞時,設計分布式事件觸發機制為:依據每架飛行器當前的沖突狀態,其航向機動方式為避碰過程主導的控制指令;3)在避碰過程結束后,飛行器在無沖突的狀態下,盡快將航向角調整至目標方向。

集群內任一飛行器的機動角速度可表示為

ω=k1ωk+k2ωc

(24)

沖突觸發機制可簡化描述為:在飛行器的狀態為無沖突時,只執行制導過程,即k1=1,k2=0,保證飛行器能夠向目標飛行。當飛行器檢測到沖突需要避碰時,觸發機動避碰過程,實際機動為制導和避碰的加權值,令k1+k2=1,且滿足k1>0,k2>0。制導與避碰策略間的權重系數,表示對協同打擊任務性能與集群安全性的重視程度,與集群的密集程度和任務打擊需求相關,因此本文采用數值分析的方法確定各自權重。通過計算制導過程的效用函數對沖突程度進行評價,進而確定制導與避碰過程的權重。

(25)

3 仿真分析

3.1 仿真參數

為避免無人飛行器集群內機間相互碰撞或干擾,設定機間安全距離不得小于30 m(該參數可根據實際情況設定)。飛行器初始位置隨機分布在x∈[1 000 m,2 500 m],y∈[3 250 m,4 750 m]的方形區域內,飛行器的初始速度在110～120 m/s內取值。飛行器軸向加速度范圍為a∈[-0.5 m/s2,2 m/s2],航向角速度范圍為ω∈[-π/18 rad/s,π/18 rad/s]。 考慮輕型裝甲車輛、指揮車等運動目標,目標速度取30 m/s(約100 km/h)。要求飛行器打擊目標的脫靶量為1 m,即飛行器與目標之間的終端最短距離不大于1 m。

3.2 仿真結果及分析

為驗證本文提出的具有群內避碰機制的協同制導方法,設計3種不同目標的場景:圓形分布固定目標、三角形編隊移動目標、8字形編隊機動目標。

3.2.1 分散固定目標

考慮多個固定目標呈圓形分布,假設10架無人飛行器均勻分布在半徑為3.5 km的環形區域上,目標點為相對于圓心的對稱位置,無人飛行器集群初始條件、目標分配情況和目標參數如表1所示。

表1 無人飛行器集群和分散固定目標初始參數

根據表1的初始參數,得到無人飛行器集群對分散固定目標進行協同打擊的仿真結果,如圖9和圖10所示。

圖9 打擊分散固定目標的集群飛行器軌跡

圖10 打擊固定目標時飛行器間的最短距離

由圖9可知,無人飛行器集群在對分散的固定目標進行協同打擊時,飛行器能夠在避碰的前提下,實現時空同步打擊目標。在本文提出的協同避碰機制下,飛行器軌跡能夠較為平滑地實現對多個分散目標的協同打擊,而不發生彼此沖突。

由圖10可知:若飛行器集群采用傳統協同制導方式(不考慮避碰),則飛行器之間的最小距離為 0 m,即直接發生碰撞;當集群飛行器協同打擊過程中考慮碰撞約束,引入本文提出的沖突觸發避碰機制,則在任意時刻任意兩架飛行器間的最短距離都大于設定的安全距離30 m的約束,可以較好地實現機間避碰的要求,保證飛行安全。

集群飛行器協同打擊分散固定目標的仿真結果如表2所示。

表2 多機集群協同打擊分散固定目標的結果統計

由表2可知,本文提出的考慮避碰約束的協同制導方法能夠滿足脫靶量小于1 m的制導精度,且任意飛行器在飛行過程中的最小距離不小于設定的安全距離30 m,能夠保證飛行器間不發生碰撞。這是因為飛行器間能夠通過沖突檢測與局部信息交換,使集群飛行器在靠近目標的過程中持續進行小角度預先機動,協調機群飛行航跡,實現避碰。

本文中式(15)、式(16)設計的效用函數可以簡單描述飛行器機動后的碰撞趨勢。因此對效用函數進行分析,能夠驗證避碰策略的性能。本文對分散固定目標協同打擊場景進行了1 000次重復仿真,統計了每次仿真過程中效用函數達到的最小值,效用函數統計曲線如圖11所示。由圖11可知,效用函數Wi的均值為0.987 4,接近效用函數最優值1,避碰策略的性能很好,可以保證飛行器的飛行安全。然而集群飛行器之間的機動總是在相互影響,因此效用函數值會出現小幅的波動。

圖11 打擊固定目標1 000次效用函數統計結果

以上仿真結果表明,對于多個固定目標,本文提出的協同制導方法能夠兼顧協同打擊與飛行安全,具有較好的避碰和協同打擊性能。

3.2.2 編隊移動目標

考慮多個目標呈三角形編隊勻速直線運動,集群飛行器的初始條件、目標分配情況和移動目標參數如表3所示。

表3 集群飛行器和編隊移動目標初始參數

根據表3給出的參數,集群飛行器對三角形編隊移動目標的協同打擊仿真結果如圖12和圖13所示。

圖12 打擊編隊移動目標的集群飛行器軌跡

圖13 打擊編隊移動目標時飛行器間的最短距離

由圖12可知,飛行器集群對移動編隊目標的協同打擊過程中,飛行器可以通過局部信息交換確保時間和空間的協同一致性。飛行器僅需要在小范圍內進行規避機動,就能滿足飛行器群內避碰約束,且實現對多個編隊移動目標的協同打擊,提升對編隊移動目標的打擊效能。

由圖13可知,若飛行器集群采用傳統協同制導方式打擊移動目標(不考慮避碰),則飛行器之間的最短距離小于設置的安全距離30 m,影響飛行安全。當使用本文提出的考慮群內避碰的協同制導策略時,在產生沖突時進行小角度避碰機動,則任意飛行器在任意時刻都能與其他飛行器保持安全距離,實現飛行器間避碰的要求,保證飛行安全。

集群飛行器協同打擊編隊運動目標的仿真結果數據如表4所示。

表4 多機集群協同打擊編隊移動目標的結果

由表4可知,在集群飛行器的協同打擊編隊移動目標過程中,任意兩架無人飛行器間的最短距離都能滿足設定的安全距離30 m,對飛行器集群內的避碰可以達到較好的效果。與此同時,集群飛行器對編隊移動目標打擊的脫靶量均小于1 m,到達時間誤差均控制在1 s內,滿足協同制導時間和空間同步的要求。

本文對編隊移動目標協同打擊場景進行了1 000次重復仿真,統計了每次仿真過程中效用函數達到的最小值,效用函數統計曲線如圖14所示。由圖14可知,效用函數Wi的均值為0.980 7,接近效用函數最優值1,避碰策略的性能很好,可以保證飛行器的飛行安全。然而集群飛行器之間的機動總是在相互影響,因此效用函數值會出現小幅的波動。

圖14 打擊編隊移動目標1 000次效用函數統計結果

以上仿真結果表明,對于多個編隊移動目標,本文提出的考慮避碰約束的協同制導方法能夠實現對編隊移動目標的協同打擊,且保證協同過程中的飛行安全。

3.2.3 編隊機動目標

考慮多個編隊目標呈8字形機動,集群飛行器初始條件和機動目標參數如表5所示。

表5 集群飛行器和編隊機動目標參數

根據表5的參數,可以得到集群飛行器對8字形機動編隊目標的協同打擊結果如圖15和圖16所示。

圖15 打擊編隊機動目標的集群飛行器軌跡

圖16 打擊編隊機動目標時飛行器間的最短距離

由圖15可知,集群飛行器在對編隊機動目標進行協同打擊過程中,能夠在較小的時間偏差內幾乎同時完成對目標的打擊,并且集群飛行器的脫靶量均在1 m內,滿足對機動目標時間、空間同步的協同打擊要求。同時可知,集群飛行器在同時面對大量沖突時,飛行器的規避機動較大,增加了機間二次碰撞的可能,應該在目標分配時予以考慮。

由圖16可知,集群飛行器對編隊機動目標協同打擊中,若采用傳統的協同制導方法(不考慮避碰),則集群飛行器之間最短距離為21 m,小于設定的安全距離30 m,無法確保飛行安全。若在協同制導過程中引入本文提出的沖突觸發避碰機制,則可以滿足任意時刻任意兩架飛行器間的距離在安全距離30 m以上,使飛行器集群的飛行安全得到保障。

集群飛行器對編隊機動目標的協同打擊結果如表6所示。

表6 集群飛行器協同打擊編隊機動目標的結果

由表6可知,集群飛行器協同打擊編隊機動目標過程中,引入沖突觸發機制后,任意兩架飛行器間的最短距離均能滿足安全約束,保證對機動目標打擊中的飛行安全。同時飛行器的最大時間差在3 s內,基本滿足多飛行器時間協同的要求。以上結果表明提前檢測局部沖突,在協同制導所需機動的基礎上,進行小范圍避碰機動,能夠與協同制導過程良好地結合,滿足對機動目標協同打擊過程中飛行器集群內部的飛行安全需求。

本文對編隊機動目標協同打擊場景進行了1 000次重復仿真,統計了每次仿真過程中效用函數達到的最小值,效用函數統計曲線如圖17所示。由圖17可知,效用函數的均值為0.957 9,接近效用函數最優值1,避碰策略的性能很好,可以保證飛行器的飛行安全。然而集群飛行器之間的機動總是在相互影響,效用函數值會出現小幅波動。以上結果表明,協同打擊機動目標時的效用函數均值明顯略低于協同打擊固定目標、移動目標時的效用函數均值,機動目標的運動特性會對協同打擊過程中的飛行安全造成一定影響。

圖17 打擊編隊機動目標1 000次效用函數統計結果

上述仿真結果表明,本文提出的協同制導方法可以實現對編隊機動目標的協同制導打擊,飛行過程滿足安全距離約束。

綜上所述,多機協同制導過程中需要考慮多飛行器之間的避碰問題,本文提出的基于沖突觸發避碰機制的協同制導策略,對于分散固定目標、編隊移動目標、編隊機動目標的控制都具有良好的協同制導效果。可以保證飛行器安全地完成協同任務,避免發生碰撞導致自損,可極大提升飛行器群體作戰效能。

4 結論

本文針對大規模無人飛行器集群協同打擊過程中存在的相互碰撞或彼此干擾問題,提出了基于沖突觸發避碰機制的多機協同制導方法。該方法能夠簡化求解過程,降低迭代求解次數,在較低的通信帶寬下實現無人飛行器集群協同打擊過程中的避碰機動,降低飛行器集群協同中由于相互碰撞或彼此干擾導致的“自損”,提升整體執行任務效費比。得出主要結論如下:

1)通過對飛行器進行安全區約束,可以僅用一次迭代求解出避碰的機動角,使飛行器軌跡恰好與圓形的安全區相切。再通過函數尋優,找到最佳的避碰機動角度,本文提出的方法可以簡化分布式飛行器避碰的復雜迭代過程。

2)本文提出的協同制導方法可以控制飛行器同時到達預定目標。通過時變的通信網絡進行分布式的信息交換,控制剩余時間相同,達到時空同步攻擊的目的。

3)本文提出的沖突觸發避碰機制使得協同的控制量與避碰的控制量可以通過加權融合在一起,通過對加權系數進行適當優化,可在滿足機動能力約束下,既實現機間避碰,又達成多機協同制導目標,提升任務效能。

4)本文提出的滿足飛行器集群協同制導及避碰的控制方法,僅需飛行器局部之間進行較少的信息交換,可大大降低對機間通信的要求,滿足飛行器的機載在線應用要求,具有較強的工程價值。