周思全 化永朝 董希旺 李清東 任章

DOI：10.12132/ISSN.1673-5048.2019.0149

摘要：本文研究了無人機自主伴飛協(xié)同偵察技術中的異構集群系統(tǒng)空地協(xié)同時變編隊跟蹤控制問題，要求多無人機與無人車在形成期望時變編隊構型的同時，實現(xiàn)對領導者參考軌跡的跟蹤。首先，對無人機與無人車進行單體運動學與動力學建模，并引入代數(shù)圖論概念，建立異構集群系統(tǒng)的協(xié)同控制模型。然后，引入虛擬領導者刻畫編隊整體的運動軌跡，并基于對虛擬領導者狀態(tài)的分布式觀測器，對各無人機-無人車構造分布式編隊跟蹤控制器。進一步分析異構集群系統(tǒng)實現(xiàn)時變編隊跟蹤的可行性條件，給出編隊跟蹤控制器中各參數(shù)的選取方法。最后，給出了一個仿真例子來驗證所設計控制器的有效性。

關鍵詞：異構集群系統(tǒng);分布式控制;時變編隊;跟蹤控制;武器協(xié)同技術

中圖分類號：TJ765;V279文獻標識碼：A文章編號：1673-5048（2019）04-0054-06

0引言

近年來，無人作戰(zhàn)系統(tǒng)作為改變未來戰(zhàn)爭模式的顛覆性技術裝備，在世界范圍內得到飛速發(fā)展，已經(jīng)成為國家間軍事博弈的重要力量。面向未來作戰(zhàn)應用需求，聚焦復雜區(qū)域反恐及城市巷戰(zhàn)等典型任務場景，以多無人機與多無人車組成的異構無人集群系統(tǒng)具有重要的研究價值。無人機自主伴飛協(xié)同偵察技術即多架無人機作為地面?zhèn)刹燔囕v的“飛行慧眼”，在地面車輛周圍伴隨飛行。通過多無人機與地面車輛的交互協(xié)同和信息融合，提供抵近偵察及跨域感知能力，拓展地面?zhèn)刹燔囕v信息獲取的精度和維度，提升異構集群系統(tǒng)的偵察效能。實現(xiàn)無人機自主伴飛協(xié)同偵察技術實戰(zhàn)化應用涉及到異構無人系統(tǒng)建模及拓撲優(yōu)化設計、分布式多源異構信息融合以及異構無人集群系統(tǒng)自主時變編隊控制等關鍵技術。

編隊控制是集群系統(tǒng)協(xié)同控制領域中的重要課題，通過調整各對象的相對陣位關系，使其形成特定構型，以完成諸如協(xié)同偵察、探測等任務?？紤]到實際應用條件的復雜性和任務需求的多樣性，集群系統(tǒng)的編隊構型往往不是固定不變的，需要系統(tǒng)能夠根據(jù)實際需求實時動態(tài)調整所形成的構型，即時變編隊控制。

無人機與無人車是集群系統(tǒng)中最具有代表性的兩種對象，通過無人機與無人車的合理配合，可

以彌補單一類型對象的不足，有效提升協(xié)同作業(yè)效能。例如，在復雜地形條件的偵察中，偵察作戰(zhàn)車輛往往會因為周邊環(huán)境中障礙物的遮擋而無法有效探測，甚至出現(xiàn)多車輛間的通信丟失，通過引入多架無人機進行編隊控制，實現(xiàn)伴飛協(xié)同偵察，可以為地面車輛整體偵察決策提供大范圍環(huán)境信息，并可作為地面通信障礙時的通信中繼，實現(xiàn)異構集群系統(tǒng)的優(yōu)勢互補與協(xié)同配合。

由于無人機與無人車具有完全不同的物理結構，其建立的運動學和動力學模型也完全不同，且無人機在空中做三維運動，無人車在地面做二維運動，所以研究異構集群系統(tǒng)的時變編隊跟蹤控制問題是解決包括空地協(xié)同在內的跨介質異構協(xié)同的關鍵問題，具有重要的理論研究價值和工程意義。

目前，常見的編隊控制策略包括基于行為的、基于虛擬結構的以及基于領導者-跟隨者的方法[1-3]。但是，領導者-跟隨者方法嚴重依賴于領導者的運動，領導者的故障將會導致整個編隊的崩潰;基于行為的編隊方法依靠于定性的行為規(guī)則，難以建立整個系統(tǒng)的定量模型，無法保證整個系統(tǒng)編隊運動的穩(wěn)定性;基于虛擬結構的方法需要中心節(jié)點進行集中式控制，不能夠以分布式的形式實現(xiàn)。近年來，隨著一致性控制理論的發(fā)展與完善，基于一致性的編隊控制方法受到國內外研究者的廣泛關注[4-8]。該方法僅利用鄰居節(jié)點的相對作用信息設計本地控制器，結構簡單，具有較好的可擴展性與自組織性，同時，該方法能夠在一定程度上克服傳統(tǒng)編隊控制方法的缺點。

但是，現(xiàn)有的基于一致性的編隊控制方法主要針對同構集群系統(tǒng)，即要求具有完全相同的數(shù)學模型。由于無人機與無人車具有不同的動力學模型，并且狀態(tài)維度存在差異，已有的針對同構集群系統(tǒng)的編隊控制方法難以直接應用[9-13]。此外，現(xiàn)有方法大多只能夠實現(xiàn)時不變編隊構型，而在實際應用中，為了應對復雜的外部環(huán)境以及任務的變化，異構集群系統(tǒng)需要能夠實時動態(tài)調整自身的編隊隊形，因此，本文所提出的異構時變編隊控制更具有工程應用價值與一般性[14-16]。

統(tǒng)在形成期望的時變編隊構型的同時，能夠跟蹤變編隊跟蹤控制方法，使得多無人機與無人車系

期望的參考航跡運動。該控制方法的主要優(yōu)點如下：不同于現(xiàn)有的同構集群固定編隊控制，該方法能夠應對外部環(huán)境和系統(tǒng)任務的快速變化，實現(xiàn)由無人機與無人車組成的異構集群系統(tǒng)的輸出時變編隊跟蹤，具有較強的靈活性和適用性;且該方法僅利用鄰居節(jié)點的相對作用信息設計分布式觀測器和編隊控制器，結構簡單，具有較好的可擴展性與自組織性，能夠有效提升控制效果，為實現(xiàn)無人機自主伴飛協(xié)同偵察提供了一種可行方法。

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