無人機編隊多分辨率指控建模分析*

陳　淼　王建宏　劉曉光

(信息系統(tǒng)工程重點實驗室　南京　210007)

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無人機編隊多分辨率指控建模分析*

陳淼王建宏劉曉光

(信息系統(tǒng)工程重點實驗室南京210007)

摘要從功能角度對無人機進行建模,分別描述了無人機編隊在高分辨率和低分辨率下模型功能及各功能模塊之間的信息交互關(guān)系。首先分析了無人機個體單元的組成結(jié)構(gòu),從體系結(jié)構(gòu)的角度分析了各功能模型,從控制論的角度分析了各組成結(jié)構(gòu)之間的信息交互關(guān)系。然后分析了編隊隊形保持算法,并分析了隊形控制信息交互處理流程。

關(guān)鍵詞無人機編隊; 多分辨率; 指控; 建模; 信息交互

Class NumberTP393

1　引言

無人機編隊的指揮控制是近些年來研究的熱點問題,研究內(nèi)容涉及飛行控制、航跡規(guī)劃、任務(wù)分配、決策制定、信息交互、任務(wù)下發(fā)等多個方面。無人機編隊是指多架規(guī)格相同或相似的無人機為了有效完成任務(wù),按照一定規(guī)則形成的隊形,是為適應(yīng)任務(wù)要求和任務(wù)分配而采用的多機飛行組織模式,包括隊形的形成、保持和變換,無人機編隊飛行可以擴大偵察視野及打擊范圍,提高作戰(zhàn)效能[1]。

建模是對實際研究對象(裝備/系統(tǒng)/體系)抽象的描述,描述方式通常包括數(shù)學、物理或邏輯等。建模是仿真的基礎(chǔ),是在對研究對象進行研究時以模型代替實際研究對象,以達到節(jié)省資源成本及安全高效的目的。早期的建模其研究對象主要為具體的實體裝備,如無人機,對實體裝備的建模研究較多運用微分方程描述物體的運動學及動力學過程,這種用數(shù)學或物理的方法構(gòu)建的模型最大的優(yōu)點是直觀、易于理解,但從功能的角度來講,裝備的諸多功能,如火控、綜合航電、操縱系統(tǒng)、任務(wù)規(guī)劃以及與其他戰(zhàn)斗單元之間的協(xié)同作戰(zhàn)、信息交互等,難以完全用微分方程描述。而且伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)的較快發(fā)展,戰(zhàn)場上雙方的對抗呈明顯的體系化特征,不再僅僅局限于裝備平臺的能力或具體哪幾方面的指標,而更多的是各裝備平臺在共同的作戰(zhàn)任務(wù)框架下,通過協(xié)同協(xié)作,構(gòu)成強大的作戰(zhàn)體系,其復(fù)雜性體現(xiàn)在體系邊界的模糊性、環(huán)境的不確定性及整體架構(gòu)的涌現(xiàn)性和對抗性等[2]。因此,在這樣的背景下,傳統(tǒng)的用微分方程建立的動力學模型無法有效描述裝備作戰(zhàn)單元內(nèi)部各功能模塊之間的信息交互關(guān)系以及作戰(zhàn)單元之間的信息交互與指揮控制關(guān)系。

2　問題描述

無人機編隊是一個由多個無人機單元組成的系統(tǒng),從指揮控制的角度講,更關(guān)注編隊整體的作戰(zhàn)效能,即由多架無人機協(xié)同呈現(xiàn)出的體系的涌現(xiàn)性。那么在這種情況下,將每架無人機單元看作是不可再分的描述對象,分析編隊內(nèi)部各單元之間的信息交互關(guān)系,從實體行為的角度描述無人機單元。若需要分析無人機單元的運動機理以及任務(wù)規(guī)劃、指控等問題時,再將無人機單元看作不可再分的整體顯然無法滿足需要,需要從功能實現(xiàn)的角度詳細分析無人機各功能模型,以及各功能模型之間的信息交互,從而理解無人機工作原理,構(gòu)建無人機單元個體的詳細模型。以上描述即多分辨率建模問題[4～5]。

無人機編隊由多個個體單元組成,根據(jù)不同的規(guī)劃,執(zhí)行任務(wù)的形式也不同,有的個體單元是以個體的形式單獨執(zhí)行任務(wù),有的則要以編隊成員的形式共同參與任務(wù)。另一方面,對于具體的個體單元,有些任務(wù)時刻是單獨執(zhí)行任務(wù),有些任務(wù)時刻是以參與編隊形式執(zhí)行任務(wù)。因此,傳統(tǒng)的單一分辨率建模方式難以靈活描述編隊模型[5],需要根據(jù)編隊狀態(tài)的變化,運用多分辨率建模思想,準確清晰地描述。

本文以無人機編隊為研究對象,從多角度研究無人機個體單元及編隊整體建模描述及彼此之間信息交互關(guān)系、運動狀態(tài)控制等信息。

3　無人機編隊多分辨率建模分析

圖1　無人機功能模型

關(guān)于無人機模型,自無人機問世以來這幾十年,已有相當豐富的研究成果。但大多數(shù)成果都聚焦于運動學模型以及相應(yīng)的飛行控制方面的研究[6～10]。但從指控的角度來講,更需要從功能實現(xiàn)的角度來分析無人機模型,按照多分辨率思想,將無人機按層級劃分成若干個功能模塊,如圖1所示。

圖中,將無人機按功能分為機械系統(tǒng)、運動系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、任務(wù)/武器系統(tǒng)、信號傳輸系統(tǒng)、測量反饋系統(tǒng)及指控系統(tǒng)幾個功能模塊。

首先,飛機是由若干機械零部件構(gòu)成,通過組裝成為一個整體,構(gòu)成了整架飛機的機械系統(tǒng),通俗講也可稱為飛機外殼。但是,這個外殼是靜止的,無法運動的,就像一臺沒安裝任何軟件系統(tǒng)的計算機,沒有任何使用價值。那么,讓飛機運動起來,就應(yīng)當有相應(yīng)的動力系統(tǒng),如發(fā)動機、舵機等,驅(qū)動飛機完成滑跑、爬升、平飛、轉(zhuǎn)彎、降落等運動模式。其次,動力系統(tǒng)的啟動與執(zhí)行各類動作,如發(fā)動機推力的增減、舵面的擺等,需要電氣系統(tǒng)來驅(qū)動。在此基礎(chǔ)上,可設(shè)計控制系統(tǒng)來控制飛機的精確運動,達到對控制指令(如高度、速度、航向等)穩(wěn)、快、準地跟蹤。然后,便可執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù),即設(shè)計任務(wù)規(guī)劃/武器管理系統(tǒng),對任務(wù)的執(zhí)行情況進行管理,由此便構(gòu)成了單個UAV的指控系統(tǒng)功能模型。以上各系統(tǒng)之間通過信號傳輸系統(tǒng)進行信息的傳遞與交互,指控系統(tǒng)通過信號傳輸系統(tǒng)將指令發(fā)送相應(yīng)的功能模塊,同時,各功能模塊又將自身的運行狀況通過測量反饋系統(tǒng)傳輸給指控系統(tǒng)。這樣,就構(gòu)成了裝備級系統(tǒng)(體系)結(jié)構(gòu),如圖2所示。

圖2　無人機多分辨率體系架構(gòu)

圖2從體系結(jié)構(gòu)的角度分析了無人機的功能模型。按功能實現(xiàn),將無人機模型分為支撐層、執(zhí)行層和指控層三個層級,這實際上也是多分辨率建模思想。支撐層包含了實現(xiàn)飛機正常飛行所需的功能模塊,使飛機就可以進行常規(guī)的機動飛行。執(zhí)行層主要負責系統(tǒng)的任務(wù)指令的接收、解算、下達,以及武器裝備的使用等,指控層負責決策制定、任務(wù)規(guī)劃及分發(fā)。這三個層級構(gòu)成了飛機的多分辨率指控功能模型,飛機執(zhí)行任務(wù)也正是靠著這個架構(gòu)去實現(xiàn)。那么在執(zhí)行任務(wù)過程中,信息的交互也是時刻在進行著,各模塊之間通過信號傳輸進行信息的交互,通過信息的交互保障任務(wù)順利進行。各功能模型(模塊)之間的信息交互關(guān)系如圖3所示。

圖3　功能模型信息交互關(guān)系

圖3所示的系統(tǒng)信息交互關(guān)系與控制論中的控制回路比較相似,控制指令與測量反饋的實際輸出量的偏差量通過控制器解算后成為驅(qū)動指令,驅(qū)動被控制系統(tǒng)運動,以求被控系統(tǒng)最終的輸出對控制指令的跟蹤能夠符合“穩(wěn)、快、準”的要求,即系統(tǒng)在外部激勵的作用下,暫態(tài)響應(yīng)過程要平穩(wěn),不能出現(xiàn)振蕩發(fā)散現(xiàn)象;系統(tǒng)輸出的調(diào)節(jié)時間要盡可能短;系統(tǒng)輸出對外部激勵的跟蹤誤差要盡可能小。那么,為達到上述要求,各功能模型之間需不斷進行相應(yīng)的信息交互,支撐層各功能模型通過測量反饋系統(tǒng)向指控層報告當前狀態(tài),機械系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)屬硬件設(shè)施,主要向指控層報告自身的工作狀態(tài),如發(fā)動機推力狀況、全機電纜(光纜)連通狀況,是否出現(xiàn)機故障等;控制系統(tǒng)屬軟件設(shè)施,主要向指控層報告飛機當前的飛行參數(shù),如高度、速度、位置、姿態(tài)、航向等;任務(wù)/武器系統(tǒng)上報當前任務(wù)完成情況及武器使用情況。反過來,指控層的指令可以逐級下發(fā),也可以越級下發(fā),逐級下發(fā)可減輕指控系統(tǒng)的計算量,將任務(wù)識別的功能交給任務(wù)系統(tǒng),但這樣也使得信息計算量和交互量增加,越級下發(fā)可減輕信息計算量和交互量,如飛行控制類指令,可直接下發(fā)給控制系統(tǒng),控制飛機按指令飛行。

4　無人機編隊指控模型分析

無人機編隊控制結(jié)構(gòu)主要有集中式、分散式和分層混合式三種。三種控制結(jié)構(gòu)均是通過各成員之間的信息交互實現(xiàn)隊形的形成、保持與變換。以集中式控制結(jié)構(gòu)為例,分析編隊指控過程信息交互關(guān)系。集中式即長僚機模式,編隊中,先確定其中某個成員為長機(Leader),其余均為僚機(Follower)[8,10]。為實現(xiàn)編隊飛行及任務(wù)的執(zhí)行,長機與僚機之間需進行信息交互,如圖4所示。

圖4　長機與僚機之間信息交互關(guān)系

從多分辨率角度來講,圖4描述的指控模型分辨率要低于前述模型的分辨率,圖中把每架飛機個體看作一個整體模型,描述各飛機之間的信息交互,而不是每架飛機內(nèi)部各功能模塊之間的信息交互。首先,編隊在巡航中應(yīng)保持一定的隊形,那么長機與僚機之間應(yīng)實時交互位置、高度、速度、航向等信息。從飛行控制角度來講,長機應(yīng)將自身的飛行參數(shù),包括位置、高度、速度、航向等,發(fā)給僚機,僚機根據(jù)隊形及編隊規(guī)則,確定自身當前的飛行參數(shù),與實際飛行參數(shù)對比,修正飛行航跡,也需將自身飛行參數(shù)發(fā)送給長機,便于長機下達修正指令,一般來講,飛行參數(shù)的交互頻率通常在秒級。然后,在編隊隊形保持的前提下,長機與僚機之間交互任務(wù)消息,僚機的任務(wù)指令由長機下達,接到任務(wù)指令后需向長機發(fā)送應(yīng)答消息,如自身出現(xiàn)非正常狀況,如發(fā)現(xiàn)敵情、機械故障等,可主動向長機發(fā)送任務(wù)執(zhí)行申請消息,長機接收后做出決策,發(fā)送申請批復(fù)消息。另外,需要注意的是,一旦長機與僚機編隊解除,那么,編隊聚合模型也解聚為每架飛機個體的模型。

4.1無人機編隊隊形相對運動分析

前文講述過,各飛機個體單元之間的信息交互中,控制信息屬最低層的交互信息,也是保持編隊飛行的基本條件。下面以長機-僚機雙機編隊為例,研究無人機編隊過程中控制信息的交互關(guān)系。長機與僚機在地球慣性系下的運動態(tài)勢如圖5所示。

圖5　雙機編隊運動平面示意圖

圖中,vl和vf分別為長機和僚機的速度,φl和φf為航向,d為雙機實時距離,x和y分別為雙機平等于航向距離及垂直于航向的距離。由圖中可看出,編隊飛行保持隊形完整,平等航向距離x及垂直航向距離y應(yīng)當保持一致。則雙機的速度矢量應(yīng)保持一致,包括速度大小和航向。經(jīng)上述分析,得出雙機平面位置變化關(guān)系,即運動方程為

(1)

進一步分析雙機平等航向距離和垂直航向距離的關(guān)系為

(2)

兩式整理可得

(3)

4.2無人機編隊信息交互分析

圖6　雙機個體單元控制層面信息交互

圖7　信息交互處理流程

圖6從飛行控制的角度分析了長機與僚機個體單元之間的信息交互過程及雙機編隊飛行控制原理。首先由長機將控制層信息發(fā)送給僚機,僚機接收控制信息后,根據(jù)式(3)控制算法,生成驅(qū)動指令,驅(qū)動飛機運動。驅(qū)動指令一般指電氣信號,驅(qū)動動力系統(tǒng),如油門舵機、氣流舵面(升降舵、方向舵、副翼舵等)舵機等,實現(xiàn)飛機六自由度運動。另一方面,僚機將自身的飛行控制信息傳遞給長機,與長機發(fā)出的控制信息進行對比,再運動控制論方法設(shè)計控制律,使僚機按控制指令飛行,以保持編隊隊形。無人機飛行處于運動狀態(tài),位置不斷變化,因此,指控模型之間的信息交互也要通過數(shù)據(jù)信息鏈保持實時交互[11]。信息交互處理流程如圖7所示。

圖中從軟件處理流程的角度描述了編隊個體成員之間的信息交互模型。該模型把個體單元當作一個獨立的模型,其分辨率低,圖3中描述的個體單元內(nèi)部信息傳輸模型。

5　結(jié)語

本文以無人機編隊為研究背景,以多分辨率指控過程中信息交互關(guān)系為研究對象,從多角度詳細分析了無人機個體單元組成結(jié)構(gòu),不同功能結(jié)構(gòu)模型之間的信息交互關(guān)系;分析了編隊隊形控制方法,個體單元之間的信息交互關(guān)系,模型之間信息交互處理流程,以及各分辨率模型描述信息等,為戰(zhàn)場態(tài)勢推演構(gòu)建了一定基礎(chǔ)。在今后的研究中,還是需進一步細化,將裝備級模型機理細化到邏輯描述能夠建立良好的銜接,使得頂層邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計和底層物理學模型能夠結(jié)合得更為緊密。

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收稿日期:2015年10月3日,修回日期:2015年11月26日

作者簡介:陳淼,男,工程師,研究方向:復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真與效能評估。王建宏,男,博士后,副教授,研究方向:系統(tǒng)辨識。劉曉光,男,高級工程師,研究方向:指控系統(tǒng)仿真。

中圖分類號TP393

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.04.010

Analysis on Multi-resolution Command and Control Model for Unmanned Aerial Vehicle Formation

CHEN MiaoWANG JianhongLIU Xiaoguang

(Science and Technology on Information Systems Engineering Laboratory, Nanjing210007)

AbstractThe problem of formation modeling for unmanned aerial vehicle is studied in this paper. The information included in formation model with higher revolution and lower revolution are separately described, and the information interaction between function models are also separately described. Firstly, the framework of UAV unit are analyzed, and every function model and the information interaction between each other are analyzed within system architecture as well. Then, the algorithm for keeping formation in order designed above is analyzed. Furthermore, the information interaction for keeping formation in order is also analyzed.

Key Wordsunmanned aerial vehicle formation, multi-resolution, command and control, model, information interaction