多無(wú)人機(jī)協(xié)同編隊(duì)控制研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

都若塵，許江濤

多無(wú)人機(jī)協(xié)同編隊(duì)控制研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

都若塵，許江濤

（哈爾濱工程大學(xué) 航天與建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

目前，多無(wú)人機(jī)編隊(duì)是未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)的主流趨勢(shì)已成為普遍共識(shí)．各國(guó)投入了大量資源進(jìn)行相關(guān)理論和技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)，傳感器技術(shù)、智能控制技術(shù)、信息融合技術(shù)以及無(wú)線通信技術(shù)都獲得了較大的進(jìn)步與發(fā)展，無(wú)人機(jī)技術(shù)日臻成熟．回顧無(wú)人機(jī)的發(fā)展歷史，概述了國(guó)內(nèi)外無(wú)人機(jī)集群的重點(diǎn)項(xiàng)目，多無(wú)人機(jī)編隊(duì)的關(guān)鍵技術(shù)；闡述了編隊(duì)控制體系與結(jié)構(gòu)，從任務(wù)規(guī)劃與決策、航跡規(guī)劃、編隊(duì)控制3個(gè)重點(diǎn)方面總結(jié)近些年國(guó)內(nèi)外的一些先進(jìn)理論與應(yīng)用技術(shù)，對(duì)編隊(duì)控制的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了詳盡分析；展望了多無(wú)人機(jī)協(xié)同控制編隊(duì)未來(lái)的發(fā)展前景．

多無(wú)人機(jī)；編隊(duì)控制；任務(wù)決策；航跡規(guī)劃

自英國(guó)將領(lǐng)于第一次世界大戰(zhàn)期間提出無(wú)人機(jī)的設(shè)想，到1991年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)無(wú)人機(jī)頻繁被應(yīng)用于現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)，時(shí)至今日，數(shù)十個(gè)國(guó)家已投入大量人力、物力和財(cái)力用于無(wú)人機(jī)的研發(fā)與生產(chǎn)，并引發(fā)無(wú)人機(jī)研究的熱潮．經(jīng)過(guò)100多年的研究，無(wú)人機(jī)這一先進(jìn)技術(shù)已進(jìn)入了高速發(fā)展階段，無(wú)人機(jī)技術(shù)日臻成熟．現(xiàn)在無(wú)人機(jī)不僅應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，在地質(zhì)勘探、交通運(yùn)輸、航拍等民用領(lǐng)域的普及度也很高．可以預(yù)見(jiàn)，隨著人工智能、通信技術(shù)、芯片領(lǐng)域、材料科技等進(jìn)一步發(fā)展和成熟，必將推動(dòng)無(wú)人機(jī)在更多領(lǐng)域發(fā)揮作用，受益于各行各業(yè)．

盡管如此，目前無(wú)人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)還是存在著一定的局限性，如巡視戰(zhàn)場(chǎng)、觀察敵情時(shí)，可能受到角度、續(xù)航時(shí)間等限制產(chǎn)生信息缺陷，進(jìn)而導(dǎo)致軍事決策出現(xiàn)偏差，且單架無(wú)人機(jī)在火力覆蓋范圍、殺傷力、精準(zhǔn)度等方面都會(huì)受到限制．此外，當(dāng)無(wú)人機(jī)受到損傷時(shí)，必須立刻返程會(huì)極大影響任務(wù)的執(zhí)行效率，且可能會(huì)延誤戰(zhàn)機(jī)，甚至?xí)?duì)整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)形勢(shì)造成影響．針對(duì)這些局限，面對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)、高動(dòng)態(tài)性環(huán)境及高突發(fā)性的戰(zhàn)場(chǎng)，無(wú)人機(jī)從單機(jī)作戰(zhàn)模式已經(jīng)轉(zhuǎn)換成了多機(jī)“集群”作戰(zhàn)．一方面，面對(duì)不確定的未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)，多機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)可實(shí)現(xiàn)互相彌補(bǔ)，提高任務(wù)執(zhí)行的多樣性和復(fù)雜性，著力提高任務(wù)的整體執(zhí)行效率；另一方面，多機(jī)協(xié)同也可以實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)，單機(jī)各自完成對(duì)任務(wù)環(huán)境的感知并進(jìn)行信息交互，同時(shí)多機(jī)協(xié)同不僅依靠個(gè)體的力量，在突發(fā)情況下，即使出現(xiàn)個(gè)體的損傷甚至摧毀，整個(gè)無(wú)人機(jī)集群仍能執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)．無(wú)人機(jī)需要多機(jī)協(xié)同控制才能實(shí)現(xiàn)集群，多機(jī)協(xié)同控制既可以發(fā)揮單機(jī)靈動(dòng)性，又可以實(shí)現(xiàn)整體的效率性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)預(yù)定任務(wù)的達(dá)成．因此，適時(shí)總結(jié)梳理無(wú)人機(jī)重點(diǎn)研究項(xiàng)目及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，尤其是編隊(duì)控制體系與結(jié)構(gòu)的最新研究成果，并深入總結(jié)目前存在的問(wèn)題和困難都是十分必要的．在此基礎(chǔ)上，展望未來(lái)發(fā)展方向，對(duì)于無(wú)人機(jī)編隊(duì)控制理論研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)都具有重要意義．

美國(guó)是最早開(kāi)始無(wú)人機(jī)集群研究的國(guó)家之一．2014年，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究設(shè)計(jì)局提出了“拒止環(huán)境協(xié)同作戰(zhàn)（CODE）”項(xiàng)目，通過(guò)研發(fā)自主性算法和監(jiān)督控制技術(shù)軟件，增強(qiáng)無(wú)人機(jī)在拒止環(huán)境的作戰(zhàn)能力以及減輕在通訊干擾等惡劣環(huán)境下地面人員的壓力．利用合理的方法將各項(xiàng)功能載荷集成到一個(gè)無(wú)人機(jī)智能編隊(duì)中，即使在與任務(wù)指揮官或者通訊平臺(tái)失去聯(lián)系后，仍能自主地完成任務(wù)．2015年，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究設(shè)計(jì)局在前期工作基礎(chǔ)上宣布啟動(dòng)一個(gè)旨在實(shí)現(xiàn)空中可回收無(wú)人系統(tǒng)的“小精靈”項(xiàng)目．該項(xiàng)目設(shè)計(jì)理念是讓現(xiàn)有的大飛機(jī)在敵方防御射程外發(fā)射成群結(jié)隊(duì)的小型無(wú)人機(jī)，突破防御后采用集群的方式對(duì)威脅進(jìn)行探測(cè)或干擾等任務(wù)，當(dāng)任務(wù)結(jié)束后，運(yùn)輸機(jī)將小型無(wú)人機(jī)在空中回收并由工作人員完成重置等待下次使用．我國(guó)的無(wú)人機(jī)集群項(xiàng)目起步較晚，但目前正處于蓬勃發(fā)展的階段．中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所建立了多機(jī)器人裝配系統(tǒng)（MRCAS系統(tǒng)）[1]，北京航空航天大學(xué)研究基于生物集群的無(wú)人機(jī)智能編隊(duì)方法，上海交通大學(xué)研制了多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)平臺(tái)Active Media Robotics[2]等一系列的項(xiàng)目．雖然我國(guó)無(wú)人機(jī)編隊(duì)控制起步較晚，但經(jīng)過(guò)幾十年的研究已經(jīng)逐步趕上世界一流國(guó)家，甚至在個(gè)別領(lǐng)域已經(jīng)完成了趕超．

1 無(wú)人機(jī)協(xié)同編隊(duì)的關(guān)鍵技術(shù)

無(wú)人機(jī)協(xié)同編隊(duì)的關(guān)鍵技術(shù)包括任務(wù)規(guī)劃與決策、航跡規(guī)劃、編隊(duì)控制等．

1.1 任務(wù)規(guī)劃與決策

無(wú)人機(jī)編隊(duì)可在戰(zhàn)場(chǎng)的復(fù)雜環(huán)境中同時(shí)完成監(jiān)視、偵察、威脅目標(biāo)等任務(wù)，合理的任務(wù)規(guī)劃是任務(wù)執(zhí)行的基礎(chǔ)．增強(qiáng)無(wú)人機(jī)群執(zhí)行任務(wù)的能力和作戰(zhàn)效應(yīng)，合理的決策、規(guī)劃勢(shì)在必行．這里的決策不僅指任務(wù)規(guī)劃后的決策，而且指無(wú)人機(jī)編隊(duì)的決策，決策的內(nèi)容包括目標(biāo)的分配，目標(biāo)基于優(yōu)先級(jí)的排序，面對(duì)威脅時(shí)的決策、任務(wù)分配、航跡規(guī)劃等．在無(wú)人機(jī)編隊(duì)和單機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)，任務(wù)執(zhí)行順序的分配和協(xié)調(diào)、多機(jī)之間任務(wù)執(zhí)行序列的沖突調(diào)節(jié)、外部的動(dòng)態(tài)環(huán)境以及不確定的威脅等都需要通過(guò)制定高效合理的任務(wù)計(jì)劃，最大程度保證無(wú)人機(jī)的存活率以及任務(wù)的執(zhí)行效率是目前各國(guó)研究主要突破方向．常用的模型分為單任務(wù)模型和多任務(wù)模型2種，單任務(wù)模型又包括多旅行商模型[3]和車(chē)輛路徑模型[4]；多任務(wù)模型則包括動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)流優(yōu)化模型[5]和混合整數(shù)線性規(guī)劃問(wèn)題模型[6]等．而任務(wù)分配的求解模式分為集中式和分布式，其中集中式求解模式是存在一個(gè)任務(wù)中心，實(shí)現(xiàn)多無(wú)人機(jī)編隊(duì)任務(wù)的收集和結(jié)合，完成任務(wù)的求解，生成優(yōu)先級(jí)排序分配給不同的無(wú)人機(jī)；而分布式求解模式是首先將任務(wù)進(jìn)行分解子任務(wù)，然后對(duì)子任務(wù)進(jìn)行求和與整合，最后計(jì)算整體任務(wù)的解．多機(jī)協(xié)同任務(wù)規(guī)劃與決策提高了無(wú)人機(jī)集群系統(tǒng)靈活性、容錯(cuò)率和任務(wù)執(zhí)行效率．

1.2 航跡規(guī)劃

航跡軌跡是指無(wú)人機(jī)編隊(duì)在有障礙物干擾環(huán)境下從起始地到目的地的最優(yōu)路徑選擇問(wèn)題．在近些年相關(guān)研究中，可大致分為4類(lèi)：

1.2.1 傳統(tǒng)法 基于圖形學(xué)的思想進(jìn)行路徑規(guī)劃．其中Voronoi圖法首先在路徑選擇區(qū)域中生成一張路徑網(wǎng)，然后從路徑網(wǎng)中選擇所需的最佳路徑．趙文婷[7]等根據(jù)建立表征威脅分布的Voronoi圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)群航跡的規(guī)劃、優(yōu)化等．

1.2.2 人工勢(shì)場(chǎng)法 通過(guò)構(gòu)建人工勢(shì)場(chǎng)的方式，保證編隊(duì)整體在避開(kāi)障礙物的情況下平穩(wěn)行進(jìn)至終點(diǎn)．楊潔[8]等通過(guò)更改斥力場(chǎng)函數(shù)，解決了目標(biāo)點(diǎn)與威脅過(guò)近導(dǎo)致的無(wú)法抵達(dá)問(wèn)題．

1.2.3 啟發(fā)法 利用圖論的方式對(duì)路徑進(jìn)行規(guī)劃，主要有A*算法、D*算法、粒子群算法、遺傳算法等．魏亭[9]等提出了一種基于稀疏A*遺傳算法的無(wú)人機(jī)三維航跡規(guī)劃方法，優(yōu)化了自適應(yīng)遺傳算法尋優(yōu)效率低的問(wèn)題．

1.2.4 智能仿生法 結(jié)合自然規(guī)律和仿生學(xué)的思想對(duì)路徑實(shí)現(xiàn)規(guī)劃．陳俠[10]等在螞蟻覓食啟發(fā)下使用自適應(yīng)調(diào)節(jié)參數(shù)的方法優(yōu)化一般蟻群算法，解決其容易陷入局部最優(yōu)解的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種能跳出局部最優(yōu)能力的改進(jìn)蟻群算法．

1.3 編隊(duì)控制理論

無(wú)人機(jī)編隊(duì)控制是無(wú)人機(jī)技術(shù)的基石，經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者探索，編隊(duì)控制理論研究成就斐然，主要編隊(duì)控制方法[11]包括領(lǐng)航者-跟隨者法、虛擬結(jié)構(gòu)法、基于行為法及一致性理論等．

1.3.1 領(lǐng)航者-跟隨者法 基于領(lǐng)航者-跟隨者的編隊(duì)方式是較為成熟、完善且應(yīng)用廣泛的編隊(duì)方式（見(jiàn)圖1），該方法的基本思路是將無(wú)人機(jī)群分為領(lǐng)航者和跟隨者2部分，領(lǐng)航者按照預(yù)定軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，跟隨者跟隨領(lǐng)航者的軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，并與領(lǐng)航者之間保持一定距離，防止發(fā)生組內(nèi)碰撞．Ghamry[12]等基于領(lǐng)航跟蹤法設(shè)計(jì)了一種滑膜和線性二次調(diào)節(jié)器相結(jié)合方式對(duì)編隊(duì)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了位置、姿態(tài)、速度的協(xié)同變換．Dehghani[13]等提出了一種在忽略通信網(wǎng)絡(luò)的情況下設(shè)計(jì)了基于導(dǎo)引頭測(cè)量的三維領(lǐng)航者-跟隨者編隊(duì)控制器，該編隊(duì)控制實(shí)現(xiàn)了領(lǐng)航者快速運(yùn)動(dòng)同時(shí)保證隊(duì)形維持穩(wěn)定．Zhang[14]等將領(lǐng)航者-跟隨者與一致性算法相結(jié)合，利用狀態(tài)反饋和輸出反饋2種方法設(shè)計(jì)了一種對(duì)非線性多智能體系統(tǒng)的編隊(duì)控制器，并推廣至高階系統(tǒng)，最后通過(guò)李雅普諾夫函數(shù)驗(yàn)證編隊(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性．周俊杰[15]等利用傳統(tǒng)的領(lǐng)航-跟隨算法設(shè)計(jì)了跟隨者在隊(duì)形中的期望位置，結(jié)合行為法使跟隨者駛向期望點(diǎn)，可使多機(jī)快速形成編隊(duì)且維持編隊(duì)飛行的穩(wěn)定性．

領(lǐng)航者-跟隨者的優(yōu)點(diǎn)為：只需指定一個(gè)無(wú)人機(jī)為領(lǐng)航者，控制簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)．缺點(diǎn)是：（1）領(lǐng)航者的魯棒性就是整個(gè)集群系統(tǒng)的魯棒性，若領(lǐng)航者發(fā)生故障，編隊(duì)也將被破壞；（2）跟隨者不能對(duì)領(lǐng)航者造成影響，當(dāng)領(lǐng)航者產(chǎn)生誤差時(shí)，沒(méi)有及時(shí)進(jìn)行反饋，容易造成誤差累積．

1.3.2 虛擬結(jié)構(gòu)法 虛擬結(jié)構(gòu)法是將無(wú)人機(jī)隊(duì)形看作一個(gè)具有多個(gè)節(jié)點(diǎn)的虛擬剛體結(jié)構(gòu)，每個(gè)無(wú)人機(jī)對(duì)應(yīng)剛體結(jié)構(gòu)上一個(gè)固定點(diǎn)，當(dāng)隊(duì)形發(fā)生變化時(shí)，每個(gè)無(wú)人機(jī)跟隨其對(duì)應(yīng)的點(diǎn)完成同步運(yùn)動(dòng)（見(jiàn)圖2）．何真[16]等提出了一種以虛擬結(jié)構(gòu)為框架，在控制算法中加入隊(duì)形反饋?lái)?xiàng)，使控制器既能控制編隊(duì)的運(yùn)動(dòng)速度，又能在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中較好地維持隊(duì)形穩(wěn)定．邵壯[17]等基于虛擬編隊(duì)方法，利用非線性模型預(yù)測(cè)方法設(shè)計(jì)了一個(gè)含有隊(duì)形反饋的編隊(duì)控制器，并用動(dòng)態(tài)參數(shù)對(duì)編隊(duì)保持和參考軌跡飛行進(jìn)行自適應(yīng)切換，提高了大機(jī)動(dòng)情況下編隊(duì)隊(duì)形維持能力．呂永申[18]等提出了一種人工勢(shì)場(chǎng)與虛擬結(jié)構(gòu)結(jié)合的控制方法，通過(guò)設(shè)計(jì)個(gè)體與個(gè)體間、個(gè)體與虛擬結(jié)構(gòu)點(diǎn)、目標(biāo)參考點(diǎn)和虛擬結(jié)構(gòu)點(diǎn)的人工勢(shì)場(chǎng)，使編隊(duì)沿著虛擬結(jié)構(gòu)點(diǎn)的軌跡到達(dá)預(yù)定位置完成編隊(duì)．虛擬結(jié)構(gòu)法不同于領(lǐng)航者-跟隨者法，不需要顯式領(lǐng)航者，通過(guò)將誤差反饋?lái)?xiàng)加入編隊(duì)控制，從而提高編隊(duì)控制精度．

圖1 領(lǐng)航者-跟隨者法

圖2 虛擬結(jié)構(gòu)法

1.3.3 基于行為法 基于行為法是具有仿生學(xué)思想的控制方法，本質(zhì)上為一些行為動(dòng)作的集合，如避障、集合、隊(duì)形變換、隊(duì)形保持等．每個(gè)動(dòng)作對(duì)應(yīng)著一種控制方法，并把權(quán)重賦予各個(gè)動(dòng)作．基本思路是首先對(duì)行為進(jìn)行設(shè)計(jì)與協(xié)調(diào)，然后對(duì)行為的權(quán)重進(jìn)行調(diào)整求和，實(shí)現(xiàn)期望的動(dòng)作集合．邱華鑫[19]等基于鴿群的層級(jí)模式，結(jié)合有向圖和人工勢(shì)場(chǎng)，建立了一個(gè)鴿群的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和領(lǐng)導(dǎo)模型，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于鴿群的編隊(duì)控制器．周子為[20]等利用雁群在編隊(duì)飛行過(guò)程中上洗氣流節(jié)約體力的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種仿雁群的無(wú)人機(jī)緊密編隊(duì)控制方法和基于雁群行為的編隊(duì)變拓?fù)渲貥?gòu)方法，實(shí)現(xiàn)以較少的耗油量完成編隊(duì)行為、隊(duì)形保持及編隊(duì)變拓?fù)渲貥?gòu)．張令[21]等受寒鴉行為機(jī)制的啟發(fā)，提出了一種配對(duì)的交互式模型進(jìn)行無(wú)人機(jī)的編隊(duì)控制．首先，該方法模仿寒鴉個(gè)體間的配對(duì)交互，對(duì)一定比例的無(wú)人機(jī)進(jìn)行配對(duì)，分別對(duì)配對(duì)和未配對(duì)的無(wú)人機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)研究；其次，考慮速度、阻尼、慣性等因素，建立了配對(duì)交互模型；最后，映射在無(wú)人機(jī)模型中形成基于寒鴉配對(duì)交互的編隊(duì)．基于行為法的編隊(duì)控制優(yōu)點(diǎn)是采用分布式控制，魯棒性好，擴(kuò)展性強(qiáng)；缺點(diǎn)為難以形成固定的編隊(duì)隊(duì)形，隊(duì)形穩(wěn)定性差，無(wú)法顯示定義群體行為，難以進(jìn)行數(shù)學(xué)上的定量分析．

1.3.4 一致性理論 一致性理論是基于一致性的編隊(duì)控制，將代數(shù)圖論和控制理論相結(jié)合形成專(zhuān)屬于多智能體的編隊(duì)控制理論．最常見(jiàn)的連續(xù)時(shí)間一致性算法[22]

一致性的基本思想是通過(guò)將機(jī)群系統(tǒng)表達(dá)式轉(zhuǎn)化為誤差系統(tǒng)表達(dá)式，利用局部協(xié)同等方式消除誤差，進(jìn)而完成指定編隊(duì)，并使用分段式李雅普諾夫函數(shù)對(duì)編隊(duì)控制進(jìn)行穩(wěn)定性分析．該理論的關(guān)鍵在于如何將機(jī)群系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為誤差系統(tǒng)．經(jīng)過(guò)眾多學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)，一般采用拉普拉斯矩陣降解、分解等方式，并且最后會(huì)使用一致性理論對(duì)具體問(wèn)題進(jìn)行具體分析．一致性理論通常把拓?fù)浞譃橛协h(huán)和無(wú)環(huán)2類(lèi)，在此基礎(chǔ)上加上時(shí)延、定向切換拓?fù)?、時(shí)變拓?fù)?、分組一致等方式．Wei[23]等研究了具有時(shí)延和切換拓?fù)涠嘀悄荏w的一致性問(wèn)題，將狀態(tài)時(shí)延反饋引入到現(xiàn)有的共識(shí)協(xié)議中，設(shè)計(jì)了一個(gè)改進(jìn)的編隊(duì)控制器，并推導(dǎo)出充要條件，使得具有時(shí)變自延遲的系統(tǒng)達(dá)到一致．Wang[24]等根據(jù)分組情況對(duì)無(wú)人機(jī)群系統(tǒng)采用拉普拉斯矩陣降解的方法，使其轉(zhuǎn)化為誤差系統(tǒng)，然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了穩(wěn)定性分析．周紹磊[25]等在事件觸發(fā)情況下提出了一種新的分組一致性算法．該算法可以根據(jù)所屬分組的不同產(chǎn)生不同的耦合參數(shù)．因?yàn)椴煌膮?shù)對(duì)形成一致的速度也產(chǎn)生不同的影響，所以又給出了參數(shù)的選擇條件．基于一致性理論的編隊(duì)控制，實(shí)際上為編隊(duì)控制的普遍基礎(chǔ)理論，該方法兼顧實(shí)際魯棒性和穩(wěn)定性分析的數(shù)學(xué)性，發(fā)展的縱深性也很好，極具發(fā)展前景．

2 無(wú)人機(jī)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

2.1 異構(gòu)多智能體編隊(duì)控制問(wèn)題

目前無(wú)人機(jī)編隊(duì)的研究多為同構(gòu)智能體，即編隊(duì)中所有智能體具有相同動(dòng)力學(xué)模型．而在實(shí)際應(yīng)用中多為異構(gòu)智能體編隊(duì)，如無(wú)人機(jī)與地面車(chē)協(xié)同作戰(zhàn)、有人機(jī)-無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)、航天器集群系統(tǒng)等，編隊(duì)內(nèi)智能體的動(dòng)力學(xué)模型具有較大差異．且異構(gòu)無(wú)人機(jī)編隊(duì)多處于一階與二階模型相結(jié)合的階段，對(duì)高階模型異構(gòu)編隊(duì)的研究較少，并且在其上結(jié)合時(shí)延、圖論、通信拓?fù)淝袚Q等也是很好的研究方向．在實(shí)際情況下，編隊(duì)中全為同構(gòu)無(wú)人機(jī)的條件很難實(shí)現(xiàn)，所以異構(gòu)編隊(duì)控制問(wèn)題是極具未來(lái)前景的發(fā)展方向之一．

2.2 通信感知約束下的編隊(duì)控制問(wèn)題

通信是多無(wú)人機(jī)協(xié)同編隊(duì)的基礎(chǔ)．在現(xiàn)實(shí)情況下，多無(wú)人機(jī)協(xié)同編隊(duì)中通信不可能為最理想的狀態(tài)，會(huì)出現(xiàn)通信延遲、通信時(shí)有時(shí)無(wú)、通信受阻等情況，包括通信節(jié)點(diǎn)損壞、通信中的某條鏈路受損．某個(gè)無(wú)人機(jī)在通信網(wǎng)絡(luò)上失聯(lián)等情況下多無(wú)人機(jī)編隊(duì)協(xié)同控制設(shè)計(jì)，使其具有一定的擴(kuò)展性以及優(yōu)秀的魯棒性，是未來(lái)研究的重點(diǎn)．因此，通信非理想下的編隊(duì)控制是值得研究的方向之一．

類(lèi)似于通信，感知同樣也是無(wú)人機(jī)編隊(duì)必不可少的一部分．感知能力能保證無(wú)人機(jī)獲取群體內(nèi)的其他個(gè)體相對(duì)速度、加速度、方向等信息，保證無(wú)人機(jī)群的行進(jìn)方位、整體的避障和群體內(nèi)部個(gè)體的互相躲避．然而，由于實(shí)際情況下往往會(huì)出現(xiàn)感知延遲、感知能力受損或危險(xiǎn)出現(xiàn)在感知范圍外等情況，所以對(duì)感知約束下的無(wú)人機(jī)編隊(duì)控制研究同樣是未來(lái)的發(fā)展方向之一．

2.3 多無(wú)人機(jī)編隊(duì)實(shí)例研究

截至現(xiàn)在，多無(wú)人機(jī)編隊(duì)的理論成果豐碩，雖然考慮一些噪聲、延遲、誤差等問(wèn)題，但也基本處于數(shù)值仿真階段．因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中存在著大量的隨機(jī)因素影響，所以必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)例研究，在此基礎(chǔ)上才能將這些理論成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用，這也是急需解決的問(wèn)題．

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了國(guó)內(nèi)外無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)研究主要重大項(xiàng)目，闡述了多無(wú)人機(jī)協(xié)同編隊(duì)的關(guān)鍵技術(shù)，歸納總結(jié)了近些年的先進(jìn)研究理論，并對(duì)編隊(duì)控制的未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行設(shè)想．總之，在信息化、科技化、智能化的未來(lái)，無(wú)人機(jī)編隊(duì)控制技術(shù)也會(huì)日益完善進(jìn)步，并且作為一個(gè)前沿研究方向，會(huì)與更多領(lǐng)域交叉融合，不僅是未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)的主流，同時(shí)也會(huì)在民事領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用．

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Research status and progress of coordinated formation flight control for multi-UAVs

DU Ruochen，XU Jiangtao

（School of Aerospace and Civil Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

At present，formation flight for multiple unmanned aerial vehicles（UAVs） is the mainstream in the future war has become a general consensus．An array of countries have invested a lot of resources in relevant theoretical and technical research and development．Sensor technology，intelligent controls technology，information fusion technology and wireless communication technology have made great progress and development．And UAVs technology is becoming more and more mature．Briefly reviews the development history of UAV．It surveys the key projects of unmanned aerial vehicle swarm at home and abroad and then introduces the key technologies of multi-UAVs formation．The crucial technologies，namely formation control system and structure，are described in detail，from the three key aspects of task planning and decision-making，route planning and formation control，some advanced theories and application technologies at home and abroad in recent years are summarized，and the advantages and disadvantages of formation control are analyzed in detail．The future development prospects of multi-UAVs cooperative control formation are given．

multi-UAVs；flight control；task assignment；route planning

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2022.02.008

1007-9831（2022）02-0042-05

2021-09-16

都若塵（1996-），男，黑龍江齊齊哈爾人，在讀碩士研究生，從事無(wú)人機(jī)編隊(duì)控制技術(shù)研究．E-mail：drc96@hrbeu.edu.cn

許江濤（1975-），男，湖北天門(mén)人，教授，博士，從事無(wú)人機(jī)編隊(duì)控制技術(shù)研究．E-mail：hit_xjt@163.com