曾子鳴，董超，朱小軍，賈子曄

（1.南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 211106;2.南京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211106）

0 引言

無人機(jī)因其在移動性、成本與環(huán)境適應(yīng)性上的優(yōu)勢，成了目前戰(zhàn)場上不可或缺的作戰(zhàn)部分。目前的單架察打一體無人機(jī)適合低強(qiáng)度的沖突作戰(zhàn)，在猛烈的電子干擾環(huán)境中難以發(fā)揮既定作用。在抗打擊上，多架無人機(jī)組成的無人機(jī)集群有潛力成為戰(zhàn)場中執(zhí)行任務(wù)的主流選擇。無人機(jī)集群通過群內(nèi)協(xié)作，構(gòu)成察、打、擾一體化的多功能無人機(jī)集群。在這種分布作戰(zhàn)中，攜帶不同載荷的無人機(jī)通過協(xié)作，進(jìn)行載荷互補(bǔ)和任務(wù)協(xié)調(diào)，可實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的提升，應(yīng)對敵方的防空體系，完成武裝偵察、目標(biāo)偵測、陣地防護(hù)、精確打擊、特殊任務(wù)執(zhí)行等工作任務(wù)[1]。無人機(jī)集群不是多架單一無人機(jī)的簡單組合，飛行器操控也不是傳統(tǒng)的一人操縱一機(jī)的模式。面對錯綜復(fù)雜的空域形勢和強(qiáng)干擾的任務(wù)環(huán)境，無人機(jī)集群需要有自主調(diào)整集群狀態(tài)的能力。無人機(jī)集群與較弱耦合的單架無人機(jī)相比，有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性、更穩(wěn)定的系統(tǒng)魯棒性和更高效的任務(wù)處理能力。

最初無人機(jī)集群的概念衍生自生物集群。對于生物集群的研究最初來源于1952年的法國生物學(xué)家Pierre Paul Grasse[2]，研究發(fā)現(xiàn)昆蟲之間能夠在高度結(jié)構(gòu)化的框架下通過分工、控制等級和任務(wù)協(xié)調(diào)，完成遠(yuǎn)超個體智能化程度的復(fù)雜任務(wù)。類似蜂群、鴿群、魚群等生物群體都存在類似的群集行為[3]。蜂群中的蜂王、工蜂、雄峰具有不同的形態(tài)和職能，它們分工合作從而維系集群的生存和繁衍；蟻群通過“信息素濃度”當(dāng)作指示從而找出到達(dá)食物的最短路徑；魚群通過觀察身邊魚的游動以調(diào)整自身的姿態(tài)，使整個魚群宏觀上可以高速地集體游動；雁群在季節(jié)性遷移的過程中，總會排成固定的隊(duì)形，每組雁的數(shù)量也在一定的范圍內(nèi)。諸如上述，群集內(nèi)個體簡單的行為結(jié)合會導(dǎo)致更為復(fù)雜的行為。看似無序的個體在組織規(guī)則的約束下，在集群層面上宏觀地體現(xiàn)出了高度組織性。在戰(zhàn)場中，無人機(jī)的任務(wù)種類可以分為偵察、作戰(zhàn)、通信、靶機(jī)等。不同的生物集群行為在戰(zhàn)場環(huán)境中可以能夠匹配對應(yīng)的無人機(jī)的任務(wù)，偵察、攻擊等行為可以采用與之相對應(yīng)的集群模式[4-5]。本文提出了一種基于生物集群的融合機(jī)制。不同的生物集群間因?yàn)樯锾匦?，存在不同的交流機(jī)制。對應(yīng)到無人機(jī)中，這可以是無人機(jī)的路由協(xié)議、編隊(duì)模型等。無人機(jī)小隊(duì)如果受到敵方的干擾或摧毀，所剩無人機(jī)數(shù)量無法完成目標(biāo)任務(wù)。生物集群融合機(jī)制可以支持受到摧毀的無人機(jī)集群進(jìn)行重組、規(guī)劃，以保證在受到敵方干擾的情況下，除了依靠無人機(jī)本身的抗干擾能力，無人機(jī)集群能迅速組織無人機(jī)的有生力量，完成既定目標(biāo)。對于大規(guī)模集群而言，這種基于任務(wù)的集群重組機(jī)制能夠縮短受打擊無人機(jī)集群重新集合編隊(duì)的時(shí)間，提高了集群整體的任務(wù)效率。同時(shí)，本文提出了一種集群重構(gòu)過程。當(dāng)集群出現(xiàn)因成員減少而無法完成目標(biāo)任務(wù)時(shí)，剩余的成員可以通過重構(gòu)加入其他的集群。受損的無人機(jī)群不用重新飛回地面站進(jìn)行集結(jié)，從而提高了無人機(jī)集群完成任務(wù)的效率。

1 生物無人機(jī)集群融合挑戰(zhàn)

仿生無人機(jī)集群的最大特點(diǎn)是異構(gòu)性。在一個整體的作戰(zhàn)框架下能夠同時(shí)存在多類不同的無人機(jī)集群類型，它們各具作戰(zhàn)特色，負(fù)擔(dān)著各自任務(wù)所需要的載荷。這一點(diǎn)從對應(yīng)的生物集群可以看出。不同的生物集群能通過協(xié)作完成集群目標(biāo)，且集群個體體現(xiàn)出的群體智能各有特色[6]。這些生物群體間交流方式，是由生物個體與群體自身所生活的環(huán)境與生物自身所具有的能力所決定的。對于狼群來說，捕獵的目標(biāo)和群體出動的狼群數(shù)量會因?yàn)榧竟?jié)而產(chǎn)生變化。狼群個體因其高效的信息交流能力，在捕獵過程中頻繁地與伙伴交互，利用角色間調(diào)度共同協(xié)調(diào)狩獵行動。這種能力是諸如蟻群、魚群等群體所不具有的。但蟻群、鴿群也有各自完成集群捕食、遷移等行為所需要的交流方法。將這類差異現(xiàn)象類比到無人機(jī)集群上，在同一個架構(gòu)上要容納不同的仿生集群，必須考慮不同無人機(jī)集群間的交流方式差異性，例如集群間的拓?fù)浞绞胶屯ㄐ欧绞健Ｏ旅鎸纳锛禾匦猿霭l(fā)，分析無人機(jī)集群與生物集群的映射關(guān)系[7]。

生物集群行為是一種普遍存在的自然現(xiàn)象：鳥類以某一種隊(duì)形進(jìn)行飛翔，蜜蜂自組織地尋找蜜源，狼群的捕食合作等。生物群體通過個體層面上簡單的信息交互與決策，在整個系統(tǒng)層面宏觀地涌現(xiàn)高度的自組織性、一致性、魯棒性。群體智能概念來自對這類生物群體表現(xiàn)的統(tǒng)一、復(fù)雜行為的觀察。本文將介紹4種典型的生物群集行為，分別為鴿群、蟻群、狼群以及魚群，并總結(jié)這4種集群的群體生活習(xí)慣以及群體內(nèi)的交流機(jī)制[8]。

1.1 鴿群

鴿群中的個體，遵循了一種拓?fù)渚嚯x交互的方式，每只鴿子僅與自身周圍一定數(shù)量的個體進(jìn)行溝通。鴿群中除了領(lǐng)頭鴿外，其余的跟隨者也存在層級網(wǎng)絡(luò)關(guān)系[9-12]。鴿子可以影響同層的鄰近鴿子或者更下層的鴿子，但無法對上層鴿子造成影響。在鴿群飛行時(shí)，這類的層級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的群體在飛行時(shí)應(yīng)對障礙的處理更加迅速。飛行過程中，個體的飛行參數(shù)也會與周圍鄰居的鴿子盡可能保持一致。

1.2 蟻群

蟻群是一種高度結(jié)構(gòu)化的社會組織，螞蟻遷移以及覓食都是典型的群集行為。一般的蟻群由蟻后、雄蟻、工蟻和兵蟻組成，各類蟻種都有其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆止?。螞蟻群體盡管龐大，但其運(yùn)作目標(biāo)十分簡單，即收集食物與筑巢。螞蟻在活動過程中會釋放信息素[13-14]，并確定個體前進(jìn)方向，而收集食物的蟻群都可以通過觸角感受這類信息，從而更多的螞蟻會選擇留有信息素的路徑，形成正向反饋。在通信方式上，蟻群通信是一種一對多的手段，通過類似于廣播并轉(zhuǎn)發(fā)的方式，發(fā)送信息素。收到信息素的螞蟻同樣會確定食物的方向，并且釋放信息素。蟻群能通過這種簡單大量的信息交流，達(dá)到找出食物源和筑巢的任務(wù)目標(biāo)。

1.3 狼群

狼群是一類團(tuán)結(jié)的集群，它們有著一套十分森嚴(yán)的等級制度。狼群生活范圍廣，能適應(yīng)不同的地理環(huán)境，這與它們的生活習(xí)慣有很強(qiáng)的關(guān)系。一般來說，狼有3種模式，分別為獨(dú)居、成對活動以及群居[3]。當(dāng)環(huán)境條件好、食物充足時(shí)，小型的動物數(shù)量多，森林生態(tài)系統(tǒng)下的狼一般是獨(dú)自行動或是兩只配對個體一起行動，這樣已經(jīng)足夠它們收獲滿足生存的食物數(shù)量。而當(dāng)季節(jié)寒冷時(shí)，狼群一般以牦牛、鹿等大型蹄類動物為食，這時(shí)往往需要團(tuán)隊(duì)配合，此時(shí)的狼以群居的模式生存。在狼群的集體圍捕過程中，也體現(xiàn)了集群智能。在圍捕過程中，狼群依靠高效的組織分工，利用角色間調(diào)度和默契配合完成了協(xié)調(diào)的狩獵行動[15]。狼的個體可以認(rèn)為是高度智能化的無人機(jī)。狼與同伴頻繁地交互進(jìn)行合作狩獵，綜合考慮了獵物的移動、特征、狀態(tài)等要素采取相應(yīng)的聯(lián)合圍捕策略。

1.4 魚群

海洋中的魚群是一類密度相當(dāng)高的群體?？梢钥吹缴锨l的魚個體集結(jié)前進(jìn)，這種集群行為可以有效地保護(hù)體型較小的魚類不受外敵的侵襲。魚群大部分時(shí)間都會隨著洋流和食物的位置，紛亂而有序地運(yùn)動。當(dāng)魚群遭遇捕食者攻擊時(shí)，魚群會迅速散開。遠(yuǎn)離捕食者后又會迅速集結(jié)。魚類的大腦沒有狼群這類哺乳動物發(fā)達(dá)，它們依靠一些簡單的機(jī)制進(jìn)行應(yīng)答而形成了整群魚特定的自組織方式[16-18]。

? 側(cè)線反饋機(jī)制：魚的身體兩側(cè)都有一條顏色特殊的側(cè)線，每條魚以周圍1、2條同伴的側(cè)線為觀察標(biāo)志，調(diào)節(jié)自己的游向和速度，以維持適當(dāng)?shù)木嚯x。

? 聚群行為：魚類會趨向與周圍的個體聚集成緊湊的集體，無論數(shù)量多少。這樣能使弱小的魚類個體成團(tuán)進(jìn)行覓食或躲避捕食者。

? 追尾行為：當(dāng)群體中的某一條魚發(fā)現(xiàn)食物后，團(tuán)隊(duì)中的其余魚會跟隨該個體的尾部進(jìn)行游動。

1.5 集群運(yùn)作特點(diǎn)引起的挑戰(zhàn)

不同集群的結(jié)構(gòu)特征以及集群行為賴以產(chǎn)生的個體交流機(jī)制與無人機(jī)集群都能相對應(yīng)。生物集群與無人機(jī)集群運(yùn)作邏輯對比見表1，具有以下特點(diǎn)：組織結(jié)構(gòu)的分布式、行為主體的簡單性、作用模式的靈活性、系統(tǒng)整體的智能性[7]。生物集群體現(xiàn)的分工合作、適應(yīng)不同環(huán)境、集群整體保持穩(wěn)定等特點(diǎn)與無人機(jī)集群作戰(zhàn)時(shí)的運(yùn)作特點(diǎn)相符合[19-22]。

表1 生物集群與無人機(jī)集群運(yùn)作邏輯對比

不同的生物集群因?yàn)榧荷瞽h(huán)境和個體生理結(jié)構(gòu)原因，有不同的交流機(jī)制，在映射到無人機(jī)集群時(shí)，不同的生物集群模式可以用于相應(yīng)的任務(wù)環(huán)境。無人機(jī)戰(zhàn)場的環(huán)境是異構(gòu)的，存在多種類型的無人機(jī)群。但不同類型的無人機(jī)群間合作較少，若是A類機(jī)群因成員損毀無法完成任務(wù)，地面站只能重新派遣A類機(jī)群繼續(xù)完成任務(wù)，而無法當(dāng)即指派B類機(jī)群繼續(xù)完成。這是因?yàn)椴煌瑱C(jī)群負(fù)擔(dān)著各自的特殊載荷，B類機(jī)群若不含此類載荷便無法完成任務(wù)。但也有一種情況，A類機(jī)群的載荷無人機(jī)仍然存活，但機(jī)群成員減少過多導(dǎo)致無法完成任務(wù)。此時(shí)A類機(jī)群如果可以加入其他機(jī)群，則能繼續(xù)完成之前的任務(wù)。本文考慮了一種將A類機(jī)群和B類機(jī)群融合變換的架構(gòu)，以此處理不同仿生集群無人機(jī)運(yùn)作交流方式不同的問題。每種集群都有各自的拓?fù)浞绞?。例如鴿群遵循層級網(wǎng)絡(luò)的飛行方式、狼群的集群呈三角形，使狼群成員少、分布廣，蟻群呈直線型排列方式。而依托在不同的隊(duì)形拓?fù)渖?，集群的成員遵循不同的通信方式。在各自的規(guī)則中，無人機(jī)位置的重要性不同。鴿群隊(duì)形時(shí)，領(lǐng)航者位于層級網(wǎng)絡(luò)頂部的頭鴿。若將鴿群的層級隊(duì)列分解為狼群的多個三角形隊(duì)列，該過程需要經(jīng)過領(lǐng)導(dǎo)者選舉，確定鴿群中誰來承擔(dān)多個狼群的領(lǐng)導(dǎo)者。進(jìn)一步進(jìn)行計(jì)算編隊(duì)變換的位置，從鴿群散開成狼群。

總的來說，不同的仿生集群根據(jù)其集群特色可以在戰(zhàn)場上承擔(dān)相應(yīng)類型的任務(wù)。但也正是如此，若要將異構(gòu)的仿生集群集成到同一個架構(gòu)中，也必須考慮這些集群之間的差異[23]，從而進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

1.6 集群通信拓?fù)渑c隊(duì)形拓?fù)?/h3>

無人機(jī)集群的運(yùn)作過程中，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為兩類。第一類是隊(duì)形拓?fù)?，即集群?nèi)無人機(jī)實(shí)際的分布位置。集群的編隊(duì)控制是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)集群自主飛行的關(guān)鍵問題。在編隊(duì)控制問題中，兩架或兩架以上的無人機(jī)在特定的規(guī)則秩序進(jìn)行協(xié)同飛行，使所有無人機(jī)按照預(yù)定的隊(duì)形沿航線飛行，無人機(jī)之間的位置關(guān)系保持相對固定。目前，無人機(jī)保持隊(duì)形拓?fù)涞闹饕椒ㄓ懈S－領(lǐng)航法、虛擬結(jié)構(gòu)法、基于行為法、人工勢場法、基于圖論的方法等[7]。此外，一致性理論也被應(yīng)用在無人機(jī)編隊(duì)的問題中。第二類是通信拓?fù)?，通信拓?fù)浔挥糜诿枋黾簝?nèi)無人機(jī)個體的信息傳輸。通信拓?fù)溆赏ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)圖和通信權(quán)重系數(shù)組成。通信網(wǎng)絡(luò)圖指示了多智能體系統(tǒng)中個體的鏈路存在情況。通信權(quán)重系數(shù)描述了該條通信鏈路的重要程度。目前被用于無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆行菭?、網(wǎng)狀、混合狀、簇樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[31]。此外，也有更復(fù)雜的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型在被運(yùn)用于無人機(jī)集群網(wǎng)絡(luò)中。例如，隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型、小世界網(wǎng)絡(luò)模型、無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)模型和分層網(wǎng)絡(luò)模型。在不同的通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸與信息融合的方式不同，使網(wǎng)絡(luò)的一些性能（如功耗、通信距離、魯棒性）會有所差異。

與所描述的生物群體類似，不同的通信拓?fù)湓谕粓鼍暗谋憩F(xiàn)性能會有差異。對于鴿群而言，小世界網(wǎng)絡(luò)模型具有更高密度的拓?fù)湟约案跤绊懥Φ念I(lǐng)導(dǎo)者（基于領(lǐng)導(dǎo)者－跟隨者模型）[32]。分層網(wǎng)絡(luò)模型產(chǎn)生的虛擬領(lǐng)導(dǎo)者距離更遠(yuǎn)。當(dāng)通信場景從生物群體轉(zhuǎn)換到無人機(jī)集群時(shí)，隊(duì)形拓?fù)浜屯ㄐ磐負(fù)淇梢圆槐厥菑?qiáng)綁定的。對于某一類隊(duì)形而言，集群可以根據(jù)環(huán)境或者任務(wù)需求更換通信拓?fù)??；蚴窃谀骋还潭ǖ耐ㄐ磐負(fù)湎拢M(jìn)行編隊(duì)隊(duì)形的變換。無人機(jī)集群的通信拓?fù)渑c隊(duì)形拓?fù)涞慕M合變換提高了在動態(tài)環(huán)境給無人機(jī)集群的任務(wù)能力，增強(qiáng)了面臨不確定場景的魯棒性。

2 仿生集群融合架構(gòu)

考慮生物集群與無人機(jī)集群的相似性，本文以 3類生物集群的交流機(jī)制為基礎(chǔ)，定義了一種面向任務(wù)的無人機(jī)戰(zhàn)場網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。首先，定義戰(zhàn)場無人機(jī)的3類具體任務(wù)為：對目標(biāo)的導(dǎo)航、對敵方的協(xié)同攻擊以及對戰(zhàn)場信息的偵察。根據(jù)這3類任務(wù)，提出了一種仿生集群的融合架構(gòu)：集群內(nèi)的無人機(jī)若遭遇電子干擾出現(xiàn)了成員損失后，可以進(jìn)行重新融合編隊(duì)，以繼續(xù)完成目標(biāo)任務(wù)。

2.1 基于生物行為的無人機(jī)集群

2.1.1 基于狼群行為的無人機(jī)集群

基于狼群行為的無人機(jī)集群的特點(diǎn)為組織分工多、交互頻繁、交互信息復(fù)雜。這要求無人機(jī)集群形成的簇群多、簇的成員少。在狼群無人機(jī)進(jìn)行圍獵的過程中，簇之間有負(fù)責(zé)交互的無人機(jī)，簇之間的交互內(nèi)容相對簇群內(nèi)可以相對簡單。在簇之間，可以針對打擊目標(biāo)的位置信息進(jìn)行交互，形成簇間的圍獵。簇內(nèi)可以對目標(biāo)獵物的運(yùn)動狀態(tài)，環(huán)境信息進(jìn)行交互。最后，由單個簇或者多個簇的多架無人機(jī)進(jìn)行協(xié)同攻擊。

2.1.2 基于鴿群行為的無人機(jī)集群

基于鴿群行為的無人機(jī)集群特點(diǎn)在于其層級網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。層級網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的通信壓力更小，應(yīng)對變化的能力更迅速。適合主要應(yīng)用于目標(biāo)導(dǎo)航的任務(wù)，在導(dǎo)航過程中，層級交互模式的信息傳遞比平等交互模式更快，且信息流按照高個體流向低個體，信息傳遞是單向的。這樣的交互模式可以補(bǔ)償單個個體導(dǎo)航的誤差，使整個鴿群無人機(jī)能更穩(wěn)定地以鴿群姿態(tài)進(jìn)行編隊(duì)飛行[24-27]。

2.1.3 基于蟻群行為的無人機(jī)集群

基于蟻群行為的無人機(jī)集群特點(diǎn)在于螞蟻信息素的傳播是一種廣播模式。當(dāng)螞蟻釋放信息素后，其尋找食物的整個蟻群可以根據(jù)道路上信息素濃度進(jìn)行判斷。蟻群的優(yōu)勢在于傳播的信息足夠簡單，對于任務(wù)決策要求較少，較適用于信息偵察等任務(wù)。派出的蟻群無人機(jī)對周圍環(huán)境的消息（如頻譜環(huán)境、戰(zhàn)場地理環(huán)境）進(jìn)行收集，同時(shí)遇到戰(zhàn)略目標(biāo)可以與釋放信息素一樣對集群中的其他個體進(jìn)行廣播，從而完成偵察監(jiān)督搜尋目標(biāo)的任務(wù)。

2.2 仿生集群融合架構(gòu)

本文提出了一種仿生無人機(jī)集群架構(gòu)。生物集群具有各自的通信方式和組網(wǎng)模型。狼群模型可以被認(rèn)為是一種通信能力強(qiáng)的無人機(jī)個體。相比鴿群或蟻群這種與鄰居交流的群體，狼群的通信量更大。無論從拓?fù)渖线€是通信方式上，不同的生物集群都應(yīng)在無人機(jī)的編隊(duì)和通信協(xié)議上有相應(yīng)的映射。本文從編隊(duì)出發(fā)，提出了一種群體融合的模型。該模型在以下情況中能發(fā)揮作用：離開編隊(duì)的無人機(jī)，可以立即與其他集群形成編隊(duì)；整個無人機(jī)集群受到攻擊，剩下的成員無法完成目標(biāo)任務(wù)，此時(shí)可以與其他集群融合；兩個各自持有特色載荷的無人機(jī)編隊(duì)，通過融合組成能力更強(qiáng)的編隊(duì)，完成復(fù)雜性更高的任務(wù)。

仿生無人機(jī)集群編隊(duì)重構(gòu)的目標(biāo)是對兩類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無人機(jī)集群進(jìn)行重新配置[28-30]。失去任務(wù)完成能力的無人機(jī)被認(rèn)定為待征召節(jié)點(diǎn)。正在執(zhí)行任務(wù)的集群如果搜尋到了待征召節(jié)點(diǎn)，則啟動重構(gòu)程序。主無人機(jī)重新計(jì)算加入待征召節(jié)點(diǎn)后的新無人機(jī)隊(duì)形。編隊(duì)的重構(gòu)分為3個階段：重構(gòu)請求；編隊(duì)分析；編隊(duì)機(jī)動操作。 當(dāng)編隊(duì)完成以上3個階段后，整個集群以新的編隊(duì)隊(duì)形繼續(xù)前進(jìn)。

（1）階段一，重構(gòu)請求

重構(gòu)請求階段是整個重構(gòu)的起始階段。重構(gòu)請求一般由數(shù)量少的無人機(jī)發(fā)出。當(dāng)無人機(jī)集群部分成員受損，導(dǎo)致整個集群無法完成目標(biāo)任務(wù)時(shí)，集群內(nèi)的剩余無人機(jī)便開始向外發(fā)送重構(gòu)請求。請求剩余的無人機(jī)接入新的集群編隊(duì)。待接入的無人機(jī)發(fā)出請求后，由集群的領(lǐng)航者進(jìn)行分析，決定是否要接收。集群確認(rèn)接收新無人機(jī)后，發(fā)出確認(rèn)回復(fù)，雙方進(jìn)入編隊(duì)階段。

（2）階段二，編隊(duì)分析

在雙方確認(rèn)開始重構(gòu)后，集群進(jìn)行位置分析階段。在該階段，由鴿群層級網(wǎng)絡(luò)的中間層作為中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)信息傳遞，從而最大限度地減少由位置信息通信造成的通信損耗。領(lǐng)航無人機(jī)收到來自待征召節(jié)點(diǎn)的確認(rèn)指令后，根據(jù)新的無人機(jī)數(shù)量生成新的編隊(duì)隊(duì)形，并由中心節(jié)點(diǎn)發(fā)布位置信息。生成新的編隊(duì)隊(duì)形后，頭鴿直接飛到新隊(duì)形的對應(yīng)領(lǐng)航位置。對于鴿群隊(duì)形的每一個層級，分別對層級中的每個位置計(jì)算其到無人機(jī)的距離，并進(jìn)行排序。這樣能保證每個位置是由最近的無人機(jī)占據(jù)的，減小了無人機(jī)到達(dá)最新編隊(duì)位置的總距離。同時(shí)距離排序只在層級內(nèi)進(jìn)行，降低了整體的運(yùn)算復(fù)雜度。另外，為了防止冗余計(jì)算，位置排序時(shí)，只計(jì)算當(dāng)前層級的無人機(jī)與待加入無人機(jī)的距離。例如，新編隊(duì)隊(duì)形中第二層級鴿群的無人機(jī)位置，將僅允許原始隊(duì)列中第二層級的無人機(jī)和待加入無人機(jī)參加位置排序。如果原第二層級無人機(jī)在新編隊(duì)第二層級的選拔排序中落選，將參與第三層級的排序。這樣能保證待加入的無人機(jī)可以以最小的距離加入新無人機(jī)編隊(duì)。

整個過程基本包括以下4個步驟。

步驟1，中間層鴿群發(fā)布位置信息。

步驟2，對于每個鴿群層級，確定其候補(bǔ)無人機(jī)的名額。

步驟3，計(jì)算層級中每個位置到候選無人機(jī)的距離并排序。

步驟4，將飛行編隊(duì)中的每個位置分配給距離最近的無人機(jī)。

（3）階段三，編隊(duì)機(jī)動操作

機(jī)動性步驟分為3種狀態(tài)。首先，無人機(jī)鴿群將根據(jù)層級順序依次進(jìn)行高度移動（沿Z方向移動），然后朝目標(biāo)位置移動（沿X、Y方向移動），到達(dá)目標(biāo)位置后在原地待命。在每種狀態(tài)下，中間層無人機(jī)將向其余無人機(jī)發(fā)送消息。當(dāng)其余無人機(jī)收到消息時(shí)，它將執(zhí)行移動并在移動完成后回復(fù)確認(rèn)。鴿群的每一層完成移動時(shí)，層級的最邊側(cè)會向中心層無人機(jī)發(fā)送消息，以標(biāo)定該層級鴿群完成編隊(duì)。中心層無人機(jī)接收層級確認(rèn)信息，將進(jìn)行下一層級的編隊(duì)機(jī)動。當(dāng)所有從屬無人機(jī)都發(fā)送過確認(rèn)信息（并且中間層無人機(jī)也已到達(dá)其位置）時(shí)，中間層無人機(jī)將確認(rèn)完成編隊(duì)變換過程。在發(fā)送確認(rèn)信息的過程中，會出現(xiàn)無人機(jī)發(fā)送消息給相異層級的無人機(jī)通信能耗小于發(fā)送給相鄰層級的無人機(jī)的情況。但在仿生無人機(jī)集群的架構(gòu)模型中，無人機(jī)按照集群間的結(jié)構(gòu)規(guī)則接受管理。即對于鴿群而言，鴿群無人機(jī)按照層級網(wǎng)絡(luò)排列，在重構(gòu)時(shí)按照層級順序進(jìn)行重組，每層設(shè)置相應(yīng)的無人機(jī)作為管理者。按照層級順序有序地進(jìn)行重新編隊(duì)。無人機(jī)編隊(duì)變換過程如圖1所示。

圖1 無人機(jī)編隊(duì)變換過程

3 實(shí)驗(yàn)仿真

本文的實(shí)驗(yàn)在MATLAB 2017上進(jìn)行，用于測試編隊(duì)融合的有效性以及各類參數(shù)。鴿群編隊(duì)重構(gòu)示意圖如圖2所示，初始鴿群無人機(jī)集群設(shè)置了3層網(wǎng)絡(luò)，共6架無人機(jī)。其中，包含一架領(lǐng)航無人機(jī)與5架僚機(jī)。5架僚機(jī)分為兩個等級：2號與3號為一級僚機(jī)，屬于第二層級；4號、5號和6號屬于第三層級。新生成的編隊(duì)信息由第二層級的2號無人機(jī)發(fā)布。待接入節(jié)點(diǎn)設(shè)置為a、b、c、d 4個，新生成編隊(duì)隊(duì)形為四層網(wǎng)絡(luò)，第四層級包含4架無人機(jī)。

圖2 鴿群編隊(duì)重構(gòu)示意圖

初始鴿群無人機(jī) 1～6號與待加入節(jié)點(diǎn) a～d的位置信息見表2。初始鴿群與待加入無人機(jī)的層級關(guān)系見表3。

表2 無人機(jī)初始位置信息

表3 無人機(jī)層級示意圖

仿真共分為兩個階段：第1階段，無人機(jī)群根據(jù)新加入的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行位置分配。每個無人機(jī)被分到新的位置信息。第2階段，無人機(jī)群按照層級順序進(jìn)行編隊(duì)機(jī)動。每一層級的無人機(jī)先在Z軸方向移動，再從X、Y平面移動到目標(biāo)位置。經(jīng)過位置分析后，新鴿群編隊(duì)無人機(jī)位置信息見表4，新編隊(duì)形成的層級關(guān)系見表5。

表4 新鴿群編隊(duì)無人機(jī)位置信息

表5 新鴿群編隊(duì)無人機(jī)層級示意圖

鴿群編隊(duì)重構(gòu)位置變化如圖3所示，無人機(jī)群重構(gòu)位置變化如圖4所示，在仿真過程中，無人機(jī)群的層級關(guān)系發(fā)生了變化。原屬于第二層級的2號、3號無人機(jī)變?yōu)榱说谌龑蛹?。第二層級的無人機(jī)變?yōu)樾录尤氲腶、b節(jié)點(diǎn)。同樣，原屬于第三層級的無人機(jī)均變?yōu)榈谒膶蛹墶?/p>

圖3 鴿群編隊(duì)重構(gòu)位置變化

圖4 無人機(jī)群重構(gòu)位置變化

4 結(jié)束語

多無人機(jī)自主集群飛行是使無人機(jī)集群完成更復(fù)雜任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。無人機(jī)集群使無人機(jī)能通過并行工作加強(qiáng)無人機(jī)的任務(wù)完成能力。在此基礎(chǔ)上，加強(qiáng)無人機(jī)間的協(xié)調(diào)能力尤為重要。仿生無人機(jī)集群是無人機(jī)間協(xié)調(diào)技術(shù)研究的一個重要的方向。仿生集群將無人機(jī)集群的視角聚焦生物集群本身，通過模仿生物集群間個體的特殊交流機(jī)制以達(dá)到更好的集群間協(xié)調(diào)效果。在此情況下，提出了一種融合多種仿生無人機(jī)集群的架構(gòu)。在考慮重構(gòu)問題時(shí)，以生物群體的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)關(guān)系為優(yōu)先。例如鴿群重構(gòu)時(shí)，強(qiáng)調(diào)了以層級網(wǎng)絡(luò)的次序進(jìn)行位置分配。在下一步工作中，將考慮不同仿生集群的通信拓?fù)渑c隊(duì)形拓?fù)涞年P(guān)聯(lián)。在面對各類任務(wù)環(huán)境時(shí)，在同一隊(duì)型拓?fù)渖喜煌耐ㄐ磐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)會有不同的效果。因此，不同仿生網(wǎng)絡(luò)群體間的拓?fù)渥兓约巴ㄐ艑用嫔系牟町悓⒈恢攸c(diǎn)考慮，以達(dá)到更好的集群協(xié)調(diào)效果。