多無人機(jī)協(xié)同自組織機(jī)制研究

岳 源

(中國(guó)民航飛行學(xué)院， 四川 廣漢 618300)

無人機(jī)被廣泛使用于工作環(huán)境惡劣的場(chǎng)所，多個(gè)無人機(jī)組成集群協(xié)同完成任務(wù)成為無人機(jī)使用的主流方法[1-6]。這種方法一方面彌補(bǔ)了現(xiàn)階段無人機(jī)智能化水平的不足，另一方面又提高了任務(wù)完成度。但是無人機(jī)數(shù)量較多時(shí)，多無人機(jī)協(xié)同帶來了調(diào)度困難，協(xié)同不利的問題，增加了無人機(jī)使用的難度。多無人機(jī)集群進(jìn)行協(xié)同的關(guān)鍵在于多無人機(jī)內(nèi)部的自組織機(jī)制。合適的無人機(jī)自組織機(jī)制可以在提高任務(wù)完成度的同時(shí)降低調(diào)度難度。因此，多無人機(jī)自組織機(jī)制被各國(guó)研究人員廣泛關(guān)注。

近年來，研究人員根據(jù)無人機(jī)的智能水平，主要研究了兩種模式的無人機(jī)自組織機(jī)制。

集中式自組織機(jī)制，針對(duì)不同功能的無人機(jī)將集群設(shè)定為長(zhǎng)機(jī)——僚機(jī)模式，主要被用于多無人機(jī)的密集編隊(duì)飛行[7-9]。由一架或多架無人機(jī)作為指揮機(jī)，承擔(dān)長(zhǎng)機(jī)角色。其他無人機(jī)承擔(dān)僚機(jī)角色，執(zhí)行長(zhǎng)機(jī)發(fā)布的命令完成相應(yīng)的任務(wù)。這一模式通常抽象為輪式模型。這種模式適合使用在小編隊(duì)的無人機(jī)協(xié)同中，且需要處在長(zhǎng)機(jī)位置的無人機(jī)智能化程度比較高，同時(shí)，一旦長(zhǎng)機(jī)故障或損毀，將影響任務(wù)完成。

分布式自組織機(jī)制，針對(duì)相同功能的無人機(jī)將集群設(shè)定為蜂群模式，每一架無人機(jī)都獨(dú)立承擔(dān)任務(wù)，這一模式通常抽象為星式模型。這模式適合使用同構(gòu)型無人機(jī)協(xié)同，且適用于低烈度戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，面對(duì)動(dòng)態(tài)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境或集群中某無人機(jī)不能執(zhí)行任務(wù)時(shí)，這種協(xié)同機(jī)制也有一定的局限性[10-15]。

也有學(xué)者將集中式、分布式的自組織機(jī)制綜合應(yīng)用，雖然對(duì)無人機(jī)的協(xié)同能力有了深入的挖掘，但這一模型更適用于多無人機(jī)協(xié)同完成已裝訂好的任務(wù)[16-18]。如果處于指揮位置的無人機(jī)損失，那么整個(gè)集群處于混亂狀態(tài)中。如果執(zhí)行任務(wù)的無人機(jī)發(fā)現(xiàn)了目標(biāo)卻不在良好的任務(wù)執(zhí)行位置，也會(huì)降低任務(wù)完成度。

1 基于橋聯(lián)模型的自組織機(jī)制

1.1 橋聯(lián)模型的特性分析

橋聯(lián)模型是一種常用的系統(tǒng)可靠性模型，如圖1所示。A1、A2、C1、C2是組成一個(gè)電路的4個(gè)電阻，K為電路開關(guān)。當(dāng)四個(gè)電阻沒有故障時(shí)，開關(guān)K斷開，A1、A2、C1、C2組成并聯(lián)電路。當(dāng)4個(gè)電阻任一出現(xiàn)故障時(shí)，開關(guān)K閉合，將故障電阻斷路，其他3個(gè)電阻組成混聯(lián)電路。以A1故障為例，分析橋聯(lián)模型特性(圖2)。當(dāng)A1故障時(shí)，開關(guān)K閉合后，電阻C1、C2并聯(lián)后與電阻A2串聯(lián)組成混聯(lián)模型，這樣保障了電阻A1損毀后，電路依然暢通，且電流依然分別通過電阻C1、C2，這樣并沒有破壞原電路。因此，橋聯(lián)模型的特性可以歸納如下：

1) 該系統(tǒng)具有良好的冗余度，可以在單元發(fā)生故障時(shí)，保障系統(tǒng)繼續(xù)應(yīng)用；

2) 該系統(tǒng)內(nèi)的單元具有良好的自組織性，當(dāng)單元發(fā)生故障時(shí)，依然能夠保障原有系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不需要外界干預(yù)；這保障該系統(tǒng)內(nèi)的單元具有無中心化的特點(diǎn)，沒有一個(gè)單元處于系統(tǒng)中心控制的位置，不會(huì)因?yàn)樘幱谥行奈恢玫臒o人機(jī)受損導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓；

綜上，可以發(fā)現(xiàn)如果以橋聯(lián)模型為基礎(chǔ)構(gòu)建多無人機(jī)自組織機(jī)制，不但提高了多無人機(jī)的任務(wù)完成度，又滿足多無人機(jī)協(xié)同的無中心化、自組織性的要求。因此本文應(yīng)用橋聯(lián)模型研究多無人機(jī)協(xié)同時(shí)的自組織機(jī)制。

圖1 橋聯(lián)模型

圖2 A1故障后的混聯(lián)模型

1.2 任意無人機(jī)損傷情況下自組織機(jī)制

通過多個(gè)無人機(jī)平臺(tái)組建無人機(jī)集群的目的就是為了提高任務(wù)完成度，因此多無人機(jī)自組織機(jī)制的好壞就是以任務(wù)完成度為判斷標(biāo)準(zhǔn)。然而，面對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境，無人機(jī)集群中一旦有無人機(jī)損失，就會(huì)帶來任務(wù)完成度的降低。這里通過橋聯(lián)模型的自組織機(jī)制，集群可以自動(dòng)調(diào)配無人機(jī)執(zhí)行未完成任務(wù)，自然就提高了任務(wù)完成度。

無人機(jī)集群執(zhí)行任務(wù)之前都進(jìn)行了任務(wù)裝訂，例如，無人機(jī)A1完成C1任務(wù)，無人機(jī)A2完成C2任務(wù)。如圖3所示。當(dāng)無人機(jī)A1不能完成任務(wù)時(shí)，機(jī)群接受這一信息后，進(jìn)入橋聯(lián)自制協(xié)同機(jī)制。距離目標(biāo)最近的A2承擔(dān)任務(wù)C1，先完成任務(wù)C1再接著完成任務(wù)C2。任務(wù)步驟：

步驟1：按任務(wù)裝訂執(zhí)行任務(wù)；

步驟2：當(dāng)無人機(jī)A1不能執(zhí)行任務(wù)C1，將這一信息共享于機(jī)群；

步驟3：無人機(jī)A2無人機(jī)接受信息執(zhí)行任務(wù)C1；

步驟4：任務(wù)C1完成終止或無人機(jī)A2也損毀時(shí)，任務(wù)結(jié)束。

圖3 任意無人機(jī)損傷情況下自組織機(jī)制

在這種情況下，無人機(jī)A1和A2相當(dāng)于橋聯(lián)模型中的電阻，無人機(jī)集群決策系統(tǒng)相當(dāng)于橋聯(lián)模型中的開關(guān)。這一決策系統(tǒng)根據(jù)無人機(jī)A1是否損毀，決定是否實(shí)施橋聯(lián)模型的自組織機(jī)制。在無人機(jī)集群中選擇無人機(jī)A2來執(zhí)行任務(wù)C1。其中無人機(jī)A2被選中的條件包括：A2的實(shí)時(shí)位置是集群中最佳執(zhí)行C1任務(wù)的無人機(jī)，原任務(wù)裝訂中A2執(zhí)行的任務(wù)等級(jí)比C1任務(wù)的等級(jí)低。

1.3 A導(dǎo)B射的多無人機(jī)自組織機(jī)制

因?yàn)闊o人機(jī)攜帶的導(dǎo)彈數(shù)目有限，往往無人機(jī)A1能夠獲得攻擊任務(wù)目標(biāo)良好的觀測(cè)窗口，卻因?yàn)閷?dǎo)彈已經(jīng)耗盡無法打擊目標(biāo)，造成時(shí)效性任務(wù)的失敗。這里采用橋聯(lián)模型的自組織機(jī)制來提高任務(wù)的完成度。當(dāng)無人機(jī)A1使用完導(dǎo)彈，但仍舊能夠有效鎖定目標(biāo)時(shí)，將這一信息共享與機(jī)群，由無人機(jī)A2發(fā)射導(dǎo)彈，無人機(jī)A2發(fā)射的導(dǎo)彈接受無人機(jī)A1的雷達(dá)制導(dǎo)信息攻擊目標(biāo)，完成任務(wù)，如圖4所示。任務(wù)步驟：

步驟1：按任務(wù)裝訂執(zhí)行任務(wù)；

步驟2：無人機(jī)A1導(dǎo)彈用完不能攻擊任務(wù)目標(biāo)C1，將這一信息共享于機(jī)群；

步驟3：無人機(jī)A2接受信息執(zhí)行任務(wù)C1;

步驟4：無人機(jī)A2發(fā)射導(dǎo)彈,導(dǎo)彈接受無人機(jī)A1制導(dǎo)，攻擊C1

步驟5：任務(wù)目標(biāo)C1被擊毀或無人機(jī)A2導(dǎo)彈用完時(shí)，任務(wù)結(jié)束。

圖4 A導(dǎo)B射的多無人機(jī)自組織機(jī)制

在這種情況下，無人機(jī)A1和A2相當(dāng)于橋聯(lián)模型中的電阻，無人機(jī)集群決策系統(tǒng)相當(dāng)于橋聯(lián)模型中的開關(guān)。這一決策系統(tǒng)根據(jù)無人機(jī)A1導(dǎo)彈是否耗盡，決定是否實(shí)施橋聯(lián)模型的自組織機(jī)制，選擇無人機(jī)集群中最適合發(fā)射導(dǎo)彈的無人機(jī)為A2與無人機(jī)A1組成橋聯(lián)系統(tǒng)，A2發(fā)射導(dǎo)彈，導(dǎo)彈接受A1無人機(jī)火控雷達(dá)制導(dǎo)攻擊任務(wù)目標(biāo)C1。其中任務(wù)目標(biāo)C1應(yīng)處在A2導(dǎo)彈攻擊的有效射程內(nèi)。

2 多無人機(jī)協(xié)同架構(gòu)

2.1 協(xié)同架構(gòu)描述

在面對(duì)動(dòng)態(tài)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)，無人機(jī)集群不可避免的會(huì)出現(xiàn)預(yù)定任務(wù)無法完成的情況，這就要求多無人機(jī)在協(xié)同完成任務(wù)時(shí)要有良好的自組織機(jī)制。這一機(jī)制的建立來源于多無人機(jī)的協(xié)同架構(gòu)。多機(jī)協(xié)同架構(gòu)包括功能系統(tǒng)，決策系統(tǒng)，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境系統(tǒng)，每個(gè)分系統(tǒng)通過鏈路通信接口實(shí)現(xiàn)信息交互,如圖5所示。

該架構(gòu)的功能系統(tǒng)可以拓展為多個(gè)功能系統(tǒng)，其中功能系統(tǒng)可由1個(gè)或多個(gè)無人機(jī)平臺(tái)組成，構(gòu)成整個(gè)架構(gòu)的執(zhí)行層；決策系統(tǒng)由任務(wù)分配系統(tǒng)和任務(wù)評(píng)估系統(tǒng)組成，構(gòu)成整個(gè)架構(gòu)的決策層；戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境系統(tǒng)為決策系統(tǒng)和功能系統(tǒng)提供戰(zhàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)，決策系統(tǒng)可以根據(jù)新的戰(zhàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)重新分配任務(wù)、功能系統(tǒng)中的無人機(jī)平臺(tái)根據(jù)新的戰(zhàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)提出該平臺(tái)的新的任務(wù)策略并將這一策略傳遞給決策系統(tǒng)和其他功能系統(tǒng)。

圖5 多無人機(jī)協(xié)同架構(gòu)

2.2 功能系統(tǒng)描述

功能系統(tǒng)由無人機(jī)平臺(tái)構(gòu)成，無人機(jī)的數(shù)量可以根據(jù)任務(wù)情況而定。功能系統(tǒng)中的無人機(jī)平臺(tái)既可以兼容同構(gòu)無人機(jī)，也可以兼容異構(gòu)無人機(jī)，通過信息交互，無人機(jī)平臺(tái)既可以知道自己的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境情況，也可以知道友鄰無人機(jī)的戰(zhàn)場(chǎng)情況，具有很強(qiáng)的信息共享能力。各無人機(jī)之間通過數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行信息交互，共享戰(zhàn)場(chǎng)信息、無人機(jī)位置、無人機(jī)武器信息、無人機(jī)雷達(dá)信息。

2.3 決策系統(tǒng)描述

決策系統(tǒng)包括任務(wù)分配系統(tǒng)和任務(wù)評(píng)估系統(tǒng)組成。當(dāng)無人機(jī)平臺(tái)智能水平不高時(shí)，控制站提供的信息和指令。當(dāng)無人機(jī)平臺(tái)智能決策系統(tǒng)在橋聯(lián)模型的自組織機(jī)制中起的作用就是開關(guān)K的作用，根據(jù)平臺(tái)或戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境系統(tǒng)反饋的信息進(jìn)入任務(wù)評(píng)估系統(tǒng)，經(jīng)過評(píng)估后決定是否啟動(dòng)任務(wù)重分配從而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)集群的決策自組織。通過相互間信息通信產(chǎn)生整體效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)較高程度的自主協(xié)作。智能水平較高時(shí)，無人機(jī)平臺(tái)集成決策系統(tǒng)，任務(wù)分配系統(tǒng)與任務(wù)評(píng)估系統(tǒng)集成于地面控制站，無人機(jī)平臺(tái)通過數(shù)據(jù)接口接受地面信息如圖6所示，通過集成于無人機(jī)平臺(tái)上的決策系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)鏈接受戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息和無人機(jī)平臺(tái)的信息。一旦集群中的無人機(jī)因?yàn)閾p傷或者其他的原因不能完成任務(wù)時(shí)，通過數(shù)據(jù)鏈將信息共享于集群，集群的決策系統(tǒng)根據(jù)新的信息進(jìn)行任務(wù)重分配。

2.4 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境系統(tǒng)描述

戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境系統(tǒng)集成于各個(gè)無人機(jī)平臺(tái)上。由無人機(jī)平臺(tái)攜帶的探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，并信息共享于集群。由集群中所有無人機(jī)平臺(tái)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境系統(tǒng)整合所有信息，生成實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息，共享于集群。戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境系統(tǒng)的信息包括戰(zhàn)場(chǎng)地理信息、戰(zhàn)場(chǎng)氣象信息、戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)信息、戰(zhàn)場(chǎng)威脅信息、自身速度位置信息、友鄰無人機(jī)信息。

整個(gè)架構(gòu)由戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境未與任務(wù)裝訂中的環(huán)境不同時(shí)，決策系統(tǒng)不工作，功能系統(tǒng)按原任務(wù)裝訂執(zhí)行任務(wù)。一旦戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境發(fā)生變化，決策系統(tǒng)啟動(dòng)，進(jìn)行任務(wù)重分配。

圖6 決策系統(tǒng)

3 算例分析

設(shè)定：兩架具有自主協(xié)同能力的察打一體無人機(jī)A1、A2，構(gòu)成作戰(zhàn)單元，執(zhí)行對(duì)地攻擊任務(wù)。編隊(duì)數(shù)據(jù)通信正常率為0.8，在到達(dá)戰(zhàn)場(chǎng)的航線上會(huì)遭遇敵方防空火力襲擊，敵防空火力由便攜式防空導(dǎo)彈班組成，裝備2發(fā)導(dǎo)彈，摧毀目標(biāo)概率為0.75。

無人機(jī)則以定高定速發(fā)射導(dǎo)彈攻擊敵地面目標(biāo)，每架無人機(jī)攜帶1枚遠(yuǎn)程空對(duì)地面導(dǎo)彈，單發(fā)導(dǎo)彈命中目標(biāo)的概率為0.85，且認(rèn)為命中即摧毀。

1) 基于橋聯(lián)模型的任務(wù)完成度計(jì)算：

Pwk=P(A1suiCwk∪A2surBCwk∪A2surCwk)

其中：Pwk為編隊(duì)成功完成任務(wù)的概率，Asui為無人機(jī)的生存概率，Cwk為無人機(jī)攻擊成功的概率，B為無人機(jī)集群數(shù)據(jù)通信正常概率。據(jù)此有：

Pwk=P(A1suiCwk∪A2surBCwk∪A2surCwk)=

P(A1surCwk)+P(A2surBCwk)+P(A2surCwk)-

P(A1surBCwk)-P(A2surBCwkCwk)-

P(A2surBCwkCwk)+P(A1suiA2surBCwkCwk)=

0.938

2) 非協(xié)同的任務(wù)完成度計(jì)算

Pwk=P(A1suiCwk)×P(A2surCwk)=0.272

通過計(jì)算，可得編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)完成任務(wù)的效率比非協(xié)同情況高。這表明：第一，橋聯(lián)模型能夠表征無人機(jī)內(nèi)在協(xié)同的機(jī)理。非協(xié)同模式中無人機(jī)只能獨(dú)立完成任務(wù)的模式，基于橋聯(lián)模型的協(xié)同模式可以在A1(A2)的效率比非協(xié)同情況高?？捎杉嚎刂茮Q策中心協(xié)調(diào)A2(A1)來完成。第二：基于橋聯(lián)模型的協(xié)同模式提高了任務(wù)完成度?；跇蚵?lián)模型的任務(wù)完成度是非協(xié)同模式的三倍多。

4 結(jié)論

1) 分析了多無人機(jī)協(xié)同方式，研究了橋聯(lián)模型的特點(diǎn)，建立基于橋聯(lián)模型的多無人機(jī)自組織機(jī)制?；谶@一機(jī)制研究了任意無人機(jī)損傷及A射B導(dǎo)的兩種典型多無人機(jī)自組織機(jī)制中的橋聯(lián)模型應(yīng)用。

2) 基于橋聯(lián)模型的多無人機(jī)自組織機(jī)制提出了面向高智能化無人機(jī)的多無人機(jī)協(xié)同架構(gòu)，并闡述了構(gòu)建協(xié)同架構(gòu)的各個(gè)系統(tǒng)工作原理和組成。面向動(dòng)態(tài)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，多無人機(jī)協(xié)同一方面依賴于無人機(jī)平臺(tái)的軟硬件水平，無人機(jī)平臺(tái)需要集成大量的電子設(shè)備，在同一集群中電磁信號(hào)既要保障兼容性好，又要保障較高頻率的信息交互，另一方面，在較高的無人機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，需要有良好的自組織機(jī)制以發(fā)揮無人機(jī)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)。其中，隨著技術(shù)水平的增加，要增強(qiáng)無人機(jī)面對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)突發(fā)情況的自治水平，體現(xiàn)無人機(jī)在協(xié)同時(shí)的無中心、自組織的特點(diǎn)。從而提多無人機(jī)協(xié)同任務(wù)完成度，增強(qiáng)多無人機(jī)使用的范圍。

3) 通過給出的算例可以清楚看到，基于橋聯(lián)模型的自組織協(xié)同機(jī)制相對(duì)于非協(xié)同模式有著極大的優(yōu)勢(shì)。

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