一種多無人機協同方法及其性能分析

徐勝紅，曹文靜，李文強

(海軍航空工程學院 控制工程系，山東 煙臺 264001)

【信息科學與控制工程】

一種多無人機協同方法及其性能分析

徐勝紅，曹文靜，李文強

(海軍航空工程學院 控制工程系，山東 煙臺 264001)

多無人機協同執行任務能夠提升無人機的作戰效能和生存性，而協同方法是協同的基礎。針對現有無人機協同方法在實際應用中的缺陷，將工作流理論引入多無人機協同，提出了基于工作流的多無人機協同方法。基于工作流的多無人機協同方法通過預先設定無人機的工作流，將無人機的自主行為限定在一定的范圍內，通過同步所有參與協同的無人機執行任務的步調和戰場態勢，保證了協同決策和決策結果的一致性，從而達到無需協商決策結果，而實現協同的目的。與現有多無人機協同方法的性能進行了分析比較，結果表明，基于工作流的多無人機協同方法的協同時間更穩定。

無人機；協同方法；工作流

在復雜多變的信息化戰場環境下，單個無人機執行偵察或攻擊等任務時面臨偵察角度和范圍、殺傷半徑和摧毀能力等諸方面的限制，制約了作戰效能的發揮。多無人機協同作戰是根據作戰目的，組織多無人機協同實施作戰行動，對敵目標進行協同搜索、跟蹤、攻擊和防御，其中，多無人機間的有效協同是提升整體作戰效能的關鍵，而協同方法是協同的基礎。因此，協同方法是研究多無人機協同執行任務的最重要的內容。

目前，多無人機協同執行任務過程中所采用的協同方法主要有：基于地面控制站的協同方法[1,2]、基于中心節點的協同方法[3]、基于多無人機間協商的協同方法[4-8]。

1 現有多無人機協同方法的局限性

基于地面控制站的協同方法，由地面控制站進行協同決策和控制，其過程是無人機將感知到的戰場態勢實時傳回地面控制站，地面控制站根據戰場態勢，決策各無人機的行動，并遙控和指揮各無人機完成各自的任務，因此，這種由地面控制站決策和控制的協同行為，并不是無人機間直接的協同。當無人機需要遠離地面控制站協同執行任務時，這種基于地面控制站的協同方法不再適用；另外，這種方法需要無人機傳遞戰場態勢信息給地面控制站，由地面控制站決策后，才將決策和控制信息傳回給各無人機，這往往會導致無人機的決策和行動延遲，難以跟上戰場態勢的迅速發展，從而限制了整體作戰效能的提升。

基于中心節點的協同方法，選擇參與協同的無人機中的一個無人機作為中心節點，所有無人機感知到的戰場態勢都傳遞給中心節點，由中心節點決策，并指揮與控制所有其他無人機的行為。這種方法不需要地面控制站，但在戰場環境下，可能會頻繁發生中心節點失效或被擊落的情況，導致增加大量重新選擇中心節點的時間，從而嚴重延遲了決策時機以及無人機的反應時間，難以實現有效的協同。

基于多無人機間協商的協同方法，每個無人機都有一定的自主能力和決策能力，各無人機根據自身掌握的局部戰場態勢，進行決策，然后，多無人機間就決策結果進行協商，協商一致后才實施行動，完成協同。在這種方法中，由于各無人機掌握的局部戰場態勢存在差異，且存在著利益差別，因此，為維護各自的利益，不同決策者作出的決策結果可能不一致甚至沖突，這時還需要多無人機間進行決策結果的協商，以消除矛盾和沖突。這種協同方法主要存在協商時間過長，有時甚至難以達成一致目標的問題，影響到決策和協同的及時性。

2 基于工作流的多無人機協同方法的基本思想

為了克服現有多無人機協同方法的不足，需要既保證無人機具有一定的自主性，又避免對決策結果的進一步協商。考慮到無人機上信息處理和分發不受能源限制的特點，本研究提出如下的決策方法，即：設任意無人機都能決策，對于同一個事件的決策，只要采用的決策方法相同，以及決策輸入的處理數據相同，則產生的決策結果也相同。也就是

Y=F(X)

其中：X為決策的輸入數據；F代表決策方法；Y為決策結果。若對于任意參與協同的無人機，F相同，X相同，則Y也是相同的，且不需在無人機間協商和共享Y。

無人機執行任務過程中，一般都會包括多次不同的決策，為了保證所有參與協同的無人機的F及X相同，需要以下3個條件：

1) 所有參與協同的無人機執行任務的過程和步調相同，從而保證決策事件是相同的；

2) 針對同一決策事件，采用的決策方法F相同；

3) 針對同一決策事件，進行協同決策前，所有參與協同的無人機的決策輸入數據是相同的。

為了滿足以上3個條件，本研究將工作流理論引入多無人機協同方法中。

工作流，就是為實現某一特定目標而必須完成的一些任務的序列及執行過程，它包括一組活動及其相互間的順序關系，包括活動的啟動和終止條件，以及對每個活動的描述。

工作流管理就是將現實世界中的業務過程轉化為某種形式，并在此形式表示的驅動下完成工作流的執行和管理。

基于工作流的多無人機協同方法需要采取以下措施來滿足以上3個條件：

1) 為了保證所有參與協同的無人機執行任務的過程和步調相同，需要在開始協同前，設置相同的工作流；

2) 為了保證針對同一決策事件，采用的決策方法F相同，需要在開始協同前，針對特定的決策活動，設置相同的決策方法；

3) 為了保證針對同一決策事件，進行協同決策前，所有參與協同的無人機決策輸入的數據是相同的，需要在開始協同前，設置相同的無人機決策輸入數據，并在協同決策前，同步無人機決策輸入數據，使其保持一致。

在基于工作流的多無人機協同方法中，主要包括2個數據結構的設計：工作流和決策輸入數據。

1) 工作流的設計。將工作流包括的活動分為2類，一類是協同決策，另一類是單機任務執行。在執行協同決策類活動時，首先通過無人機之間的直接通信和信息交換，來同步所有參與協同的無人機的決策輸入數據，確保決策輸入數據一致后，才能進行決策；在執行協同決策類活動時，與本無人機相關的任何決策輸入數據不再改變。

2) 決策輸入數據的設計。設計無人機決策輸入數據為戰場態勢，包括如下信息：本無人機的編號、飛行狀態、作戰能力狀態、當前活動狀態、以及相應狀態產生的時刻；所有其他參與協同的無人機的編號、飛行狀態、作戰能力狀態、當前活動狀態、以及相應狀態產生的時刻；所有敵方目標的狀態、以及檢測到該狀態的時刻和無人機編號。由于在執行協同決策活動時，與本無人機相關的任何決策輸入數據不再改變，因此，當所有無人機的當前活動狀態均為相同的協同決策活動，說明戰場態勢中的其他信息達到了一致。

3 基于工作流的多無人機協同方法的工作流程

基于工作流的多無人機協同方法的協同步驟設計如下：

步驟1 所有參與協同的無人機在起飛或發射前，即開始協同之前，設置相同的工作流、決策方法和戰場態勢；

步驟2 開始協同后，工作流管理設備執行活動的遷移，并判斷當前活動的類型；

步驟2.1 如果當前活動是協同決策類型，則通過接收器接收信號；

步驟2.1.1 如果沒有接收到信號，進入步驟2.1.4；

步驟2.1.2 如果接收到信號，且接收到的信號至少部分反映了較新的戰場態勢，則將其中的較新信息融合至本無人機存儲的戰場態勢中，進入步驟2.1.4；

步驟2.1.3 如果接收到信號，且接收到的信號完全不能反映較新的戰場態勢，則進入步驟2.1.4；

步驟2.1.4 分析本無人機存儲的戰場態勢，判斷是否所有參與協同的無人機均處于相同的協同決策活動狀態；

步驟2.1.4.1 如果所有參與協同的無人機的當前活動狀態均為相同的協同決策活動，說明戰場態勢是相同的，則進入步驟2.1.5；

步驟2.1.4.2 如果所有參與協同的無人機的當前活動狀態不是相同的協同決策活動，則發送本無人機存儲的戰場態勢，返回步驟2.1；

步驟2.1.5 依據本無人機存儲的戰場態勢進行決策，決策過程可以描述為

Y=F(X)

其中：F為決策方法；X為戰場態勢；Y為決策結果。由于此刻決策方法F相同，所有參與協同的無人機存儲的戰場態勢X相同，因此，對于所有參與協同的無人機而言，決策產生的決策結果Y是相同的；決策完畢，返回步驟2繼續活動遷移；

步驟2.2 如果當前活動是單機任務執行類型，則依據決策結果和本無人機存儲的戰場態勢對本無人機的任務進行規劃，并控制本無人機相關設備執行任務，任務執行完畢，修改和維護本無人機存儲的戰場態勢中由于執行任務而相應變化的狀態，之后，返回步驟2繼續活動遷移。

在以上工作流程中，判斷接收到的信號是否反映較新戰場態勢的步驟為：

步驟1 分析接收到的信號所代表的一系列對象信息，包括：參與協同的無人機的編號、飛行狀態、作戰能力狀態、當前活動狀態、以及相應狀態產生的時刻；敵方目標的狀態、以及檢測到該狀態的時刻和無人機編號；

步驟2 提取本無人機存儲的戰場態勢中的相應對象信息，并逐條對比接收到的對象信息和戰場態勢中相應的對象信息，哪個信息產生的時刻離目前更近，說明相應的信息能代表較新的戰場態勢。

基于工作流的多無人機協同方法，其協同過程如圖1所示。

圖1 基于工作流的多無人機協同方法工作流程

4 性能分析

協同執行任務的過程包括了2類活動：協同決策活動，單機執行任務活動。其中，協同決策活動的耗時是衡量協同方法性能的主要指標。

設一次協同決策時間記為T，則

T=TS+TDC+TDS

其中：TS代表感知信息傳送時間，即各無人機將感知到信息傳送給決策個體所需的時間；TDC代表決策時間，即基于接收到的感知信息，決策個體進行決策所需的時間；TDS代表決策結果分發時間，即將決策結果分發和共享給各執行個體的時間。

設n個無人機協同執行任務，感知信息長度記為u1，決策信息長度記為u2，對無線信道的訪問采用TDMA協議，信道傳輸速率記為vtrans，下面分析各協同方法的一次協同決策時間。

1) 基于地面控制站的協同方法

隨著無人機與地面控制站距離d的變化，由于無法可靠接收可能導致信息的重復收發，從而引起無人機與地面控制站之間的信道有效傳輸速率vtrans降低，即

d→∞?vtrans→0?T→∞

因此，當無人機協同執行任務的區域距離地面控制站太遠，則基于地面控制站的協同方法不再適用。

2) 基于中心節點的協同方法

隨著中心節點被擊落的概率p的變化，由于中心節點的變化導致無法可靠接收以及信息的重復收發，從而引起無人機與中心節點無人機之間的信道有效傳輸速率vtrans降低，即

p→1?vtrans→0?T→∞

因此，當戰場環境惡劣，無人機被擊落的概率較大時，基于中心節點的協同方法協同時間難以控制。

3) 基于多無人機間協商的協同方法

T=TS+TDC+TDS=

其中：m代表了達到最終一致的決策結果所需的協商次數，m是不確定的，即T是不確定的。

因此，在基于多無人機間協商的協同方法中，由于各無人機決策結果的不一致，可能導致T是不可預測的。

4) 基于工作流的多無人機協同方法

在基于工作流的多無人機協同方法中，無人機之間的距離不會太遠，因此，對vtrans的影響可忽略，且無需對決策結果進行分發，因此，T是有限且確定的。

5 結束語

本研究針對現有多無人機協同方法的缺點，引入工作流理論，提出了基于工作流的多無人機協同方法。該方法和現有的協同方法相比，具有以下優點：

1) 通過對所有參與協同的無人機預先設定相同的工作流，限定了無人機的活動，并通過同步各無人機的活動遷移，有效避免了由于無人機完全的自主性及多議題所帶來的協商復雜度高的問題；

2) 通過在協同決策前，同步戰場態勢，利用決策方法以及戰場態勢的一致性，保證決策結果的一致性，有效避免了由于決策結果不一致所帶來的問題。

[1] 霍夢蘭,彭輝.“全球鷹”無人機任務控制站的組成與功能分析[J].國防科技,2009,30(3)：33-37.

[2] 李建,符小衛,高曉光.通信約束下的多無人機協同航路規劃[J].電光與控制,2013，20(6)：29-33.

[3] 郭銘,閻昊,韋有平.移動自組網絡在無人機通信中的應用研究[J].艦船電子工程,2008,28(6):59-62.

[4] 應賁.分布式多Agent 系統的通信與協商策略研究[D].南京：南京郵電大學，2010.

[5] 韓健.基于多Agent的無人機協作控制[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學，2012.

[6] 歐建軍,鐘麟.基于多智能體的編隊協同空戰戰術規劃[J].電光與控制，2010，17(2)：35-38.

[7] Mazs I,Kondak K,Bernard M,et al.Multi-UAV cooperation and control for load transportation and deployment[C]//the 2nd International Symposium on UAVs.Reno,Nevada,U.S.A,2010:417-449.

[8] 劉躍峰,張安.有人機/無人機編隊協同任務分配方法[J].系統工程與電子技術,2010,32(3)：584-588.

(責任編輯 楊繼森)

Multi-UAV Cooperation Method and its Performance Analysis

XU Sheng-hong，CAO Wen-jing，LI Wen-qiang

(Department of Control Engineering, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, China)

Cooperation of multi-UAV could improve the combat effectiveness and survivability. Cooperation method is the base of cooperation. To overcome the practical weakness of the existing multi-UAV cooperation methods, work flow theory was applied to multi-UAV cooperation, and a workflow-based multi-UAV cooperation method was proposed. With the workflow-based multi-UAV cooperation method, specific work flow was preset for each UAV, which specified the activities and execution processes of UAV. By synchronizing all the UAVs’ activities and the battlefield situations stored in each UAV, the decision results of all the UAVs were the same. As a result, it is not necessary to negotiate decision results of UAVs further. Performance of the workflow-based multi-UAV cooperation method was analyzed. Results show that, compared with the existing multi-UAV methods, cooperation time of workflow-based mutli-UAV cooperation method is more stable.

UAV; cooperation method; work flow

2015-01-20

國家自然科學基金(61203168)；中國博士后科學基金(2011M500156；2013T60922)

徐勝紅(1974—)，男，博士，副教授，主要從事無人飛行器組網技術研究。

10.11809/scbgxb2015.08.025

徐勝紅，曹文靜，李文強.一種多無人機協同方法及其性能分析[J].四川兵工學報，2015(8):100-103.

format:XU Sheng-hong，CAO Wen-jing，LI Wen-qiang.Multi-UAV Cooperation Method and its Performance Analysis[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(8):100-103.

TP393.4; TJ8

A

1006-0707(2015)08-0100-04