低成本集群自主協同與控制問題研究

李 強, 陸浩然, 陳海鵬

(北京宇航系統工程研究所,北京 100076)

0 引言

2015年CSBA(Center for Strategic and Budgetary Assessments)發布的《維持美國精確打擊優勢》報告中,提出了依托平臺集群技術的分布式作戰思想[1],即使用大量廉價彈藥、小型無人機或誘餌,采用蜂群式、協同配合作戰方式,迫使敵方消耗最具價值的防空能力來應付廉價、可消耗的武器,從而抵消敵防御相對優勢,洞穿其防空系統,為后續的武器裝備打擊打開一個通道。當前,美國著力發展無人機蜂群作戰技術以借此抵消中、俄等國的相對防御優勢,這類組織有序、價格低廉、協同配合的無人機被認為是美國未來作戰愿景的重要組成部分。

本文首先介紹了國外集群協同控制的研究現狀,結合DoDAF(Department of Defense Architecture Framework)體系提出了低成本集群架構的設計,采用成熟貨架產品支持的技術搭建了低成本集群,并針對集群協同與控制性能參數進行了因子實驗,最后分析了未來作戰中集群打擊的應用模式。

1 國外集群協同控制方法介紹

集群由各類機動單元組成,例如履帶車、多輪車、無人機等具備不同能力的飛行器或車輛[2]。低成本實現是集群作戰(如圖1所示)的關鍵,相對于傳統作戰模式，它可以完成不返回式的高風險任務,同時靈巧多變的設計可以滿足前線部隊的多種需求。

圖1 集群作戰示意圖Fig.1 Schematic diagram of swarm attacking

2014年美國DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)啟動了集群挑戰項目,旨在促進采用價格低廉、技術成熟度高的系統集成方式實現具備分布式冗余性的集群系統[3]。目前,除了DARPA外,美國海軍、空軍都開展了低成本無人集群系統的研究。低成本的集群協同與控制主要方法如下：

(1)蜂群

蜂群機動是集群協同工作中的常用行為,蜂群機動多用于旋翼飛行器,控制算法相對簡單，目前已較為成熟,通過開源的地面控制站就可以完成蜂群機動的操作[4]。常用的軟件有Mission Planner、APM Planner和QGroundControl。軟件支持多架次飛行器的自主連接,將其中一架設置為領航器,其余飛行器根據與領航器間的偏置量自動協同機動。

(2)鳥群

相對于蜂群機動,鳥群機動中無法實現懸停,多用于固定翼飛行器集群。鳥群機動更適用于未來的集群作戰模式,算法與蜂群機動相比也更為復雜，其仿真如圖2所示。鳥群機動中最常見的是Boid算法[5],應用的3條原則為：分離、排列、聚合。機動過程中必須避免飛行器間的碰撞,排列朝向集群機動的方向,同時圍繞中心保持一個聚合的整體。

圖2 鳥群機動算法仿真Fig.2 Simulation of bird swarm maneuver algorithm

高效的鳥群機動陣型可以提高集群的作戰性能,基于Reynold[6]模型，美國空軍技術研究院設計了可以減少燃油消耗的機動陣型。在碰撞率與空氣阻力間進行了優化,實現了集群中飛行器的精確定位,機動過程中在飛行器間設置了緩沖區域,集群成員間通過速度與位置信息的交換保持隊形完成半自主的協同飛行。

(3)中繼

為了克服通信范圍的限制,美國空軍技術研究院提出了采用單獨的中繼飛行器與集群配合的方案,由中繼飛行器完成地面控制站與集群間的信息通信,使用移動目標搜索算法可以使機動范圍擴大110%。

(4)監視

監視機動是目前集群協同與控制研究的另一個熱點,在空中以一定的隊列對地面目標分別進行圖像采集,可以協作完成監視任務。Boire等[7]提出的算法可以使集群飛行器按照相同的角度在同一條路徑中持續巡飛,并確保目標一直維持在視場內,研究了風速、集群數量對監視效果的影響。

2 低成本集群方案設計

2.1 低成本集群系統組成

集群系統由地面無人車輛、無人機和地面控制站組成,其中每個集群單元自成一套系統,包含自主飛控、通信、電池、推進等功能。

低成本是集群系統的首要特點,而選用成熟貨架產品可以在實現低成本的同時保證系統的可靠性。目前商用無人機發展迅速,為搭建集群系統提供了許多可供選擇的產品。

(1)飛控系統

自主飛控系統是飛行器的“大腦”,負責執行控制指令,控制無人機的各個模塊,實現自主控制。隨著無人機控制技術的成熟,出現了許多實現飛控功能的商業產品,例如Pixhawk、ArduPilopMega等。借助貨架式成熟產品可以實現定點飛行、環形盤旋等自主化的飛行方式。

(2)遙測系統

遙測系統負責實現地面控制站與飛行器間的通信,遙測數據將集群單元的信息以無線的方式傳輸至控制站。同樣,商業化的遙測產品已經較為成熟,915MHz 3DR無線電可以在兩個相同節點號的終端實現數據交互,最大延遲時間為33ms。

(3)無人機

選用成熟開源的四旋翼無人機作為低成本研究的集群單元,包括GPS導航儀、速度控制器、電池、電機以及遙測模塊,均選用低成本貨架產品。相對固定翼無人機,四旋翼飛行器擁有更好的機動性與穩定性,且對空間的要求較低,適合開展相關的協同與控制研究。

(4)地面控制站

飛行過程中地面控制站實現操作者與集群間的交互,同時提供戰場態勢顯示的功能。Mission Planner與Droid Planner是眾多商業平臺中更適用于集群操作的,開源代碼為后續開發提供了接口。目前支持的操作包括：規劃路徑巡飛、定點繞飛、跟蹤等,使用者可以使用平板電腦在Google地圖上直接對飛行器進行規劃操作。

2.2 集群體系架構設計

集群體系由導航衛星、地面控制站、無人機、通信系統、導航接收、駕駛儀等多類系統組成。設計體系架構時,使用DoDAF中SV-1與SV-4分別對體系架構進行描述,給出系統的組成、接口以及功能，如圖3所示。

圖3 低成本集群SV-1視圖Fig.3 SV-1 view of low cost swarm

集群采用領航協同模式,體系中包含一個地面控制站、領航無人機和跟航無人機,每個無人機上安裝GPS定位接收機,接收衛星信號并將位置信息發送給自主駕駛儀。無人機與地面站間通過915MHz遙測設備進行通信,通過地面平臺中的飛行應用程序實現無人機間的協同。飛行開始時操作者以手動模式控制領航飛機,當啟動協同飛行模式后,由自主駕駛儀接管飛行控制,操作者只需在地面控制平臺中設置航跡點、間距、控制方法以及協同模式,終端顯示通過互聯網加載地圖信息,為操作者提供規劃界面。

SV-4中給出了SV-1中所有節點的分級功能描述,包括無人機節點、地面控制站節點以及協同任務規劃節點。無人機節點完成導航和通信功能,導航功能獲取自身位置，更新巡航點，給定繞飛中心；通信功能完成GPS信號、飛行指令的接收,發送遙測數據,記錄飛行數據。地面控制站可以完成蜂群飛行、定點巡飛、參數設置以及飛行日志的功能,蜂群飛行功能將集群中的跟飛無人機與領航無人機連接,設置它們與領航無人機間的相對位置即可實現集群飛行；定點巡飛通過Google地圖對巡飛路徑進行設置、修改和查看；參數設置對繞飛半徑、巡航速度、遙測速率等參數進行設置；飛行日志記錄無人機飛行過程中的導航信息,并提供事后回放的功能。

圖4給出了集群協同任務規劃功能視圖。領航無人機獲取經緯度、方向和高度等導航信息,將其發送至跟航無人機,并設置中斷周期；任務加載功能為無人機分配IP地址,將任務腳本中的對象與通信接口綁定,實現協同任務的分配；跟航無人機每個中斷周期內接收領航無人機的導航信息,并計算位置偏差,根據計算結果進行跟航飛行,導航位置更新后重新計算跟航目標。協同任務執行期間各無人機和地面站將按照中斷周期執行,直至切換至手動控制模式。

圖4 低成本集群SV-4視圖Fig.4 SV-4 view of low cost swarm

3 低成本集群協同與控制的因子實驗

采用成熟貨架產品搭建的低成本集群基本可以實現常規的協同飛行任務功能,但整體的性能(如系統參數如何優化)需要通過仿真與試驗設計進一步分析。根據商業軟件提供的集群協同與控制模式建立基本任務模型,選擇不同的系統參數，例如中斷時間、遙測速率、航路半徑、巡航速度、指令周期等(見表1),進行5因子2水平的全因子實驗,分析各參數對指令延遲和定位精度的影響程度。選擇不同水平的因子組成算例進行仿真,通過Minitab開展了實驗設計并對仿真結果進行了統計分析。

表1 系統參數及范圍

3.1 指令延遲

指令延遲Ty定義為領航無人機起飛時間T0

與跟航無人機動作時間T1的差值,取仿真中領航機起飛至跟航機開始動作間的時間,即Ty=T0-T1。

圖5給出了根據仿真結果統計輸出的立方圖,可以發現,當所有因子取-1水平時指令延遲的時間最小。各參數由小變大的過程中,中斷周期變化引起的指令延遲變化最大,指令周期的影響其次。最優延遲下,中斷時間500ms、遙測速率3Hz、航路半徑0.25m、巡航速度1m/s、指令周期33ms,延遲時間為0.22s。

圖5 指令延遲性能的立方圖Fig.5 Cubic diagram of instruction delay performance

3.2 定位精度

定位精度Ed指真實定位與理論定位間的偏差,仿真中取穩定飛行段領航無人機與跟航無人機間距離Dd與設定距離Dset的差值,即Ed=Dd-Dset。

根據圖6的立方圖結果,定位精度受巡航速度變化的影響最大,尤其是在路航半徑較大時,當中斷時間為5000ms、遙測速率3Hz、航路半徑5m、巡航速度1m/s、指令周期33ms時,定位精度最高,可以達到3.02m。根據統計結果,商用集群算法中巡航速度越快定位精度越高,較低速度時無法實現一定的定位精度,將無法實現緊密的編隊飛行。

圖6 定位精度性能的立方圖Fig.6 Cubic diagram of positioning accuracy performance

4 集群打擊應用模式分析

根據對低成本集群系統的建模與仿真結果,對未來可能的應用模式進行分析,探討低成本集群技術在緊密編隊飛行、信息共享以及目標追蹤中應用的可行性。

4.1 緊密編隊飛行

通過集群協同與控制算法,使得緊密編隊飛行成為可能。精確的飛行定位對瞬態響應的延遲時間有著嚴格要求,緊密編隊飛行中任意一個節點的響應延遲超差都有可能導致整個集群出現碰撞。根據仿真結果,緊密飛行中系統響應至少需要10Hz[8]；而根據低成本貨架產品搭建的系統響應延遲時間至少也要0.2s,過大的響應延遲在任何形式的緊密飛行都存在一定風險。只有減少延遲,建立飛行器間的直接通信及處理通路,才有可能實現低成本的緊密編隊飛行。

4.2 信息共享

雖然低成本集群的響應延遲較大,但在需要信息共享的任務中,延遲并不會影響主任務的執行。當集群中的一個單元發現攻擊目標時,低成本集群中所建立的通信鏈路也可以實現將目標信息在集群單元、集群與地面控制站之間的共享,通過協同控制完成對目標的搜索與打擊。

4.3 目標追蹤

目標追蹤是軍事任務中常用的功能之一,單一飛行器進行目標追蹤時,相機故障與目標遮擋等問題對追蹤效果產生了直接影響。通過集群飛行器執行目標追蹤任務將大大提高追蹤成功率,為精確打擊提供重要的目標信息。建立無人機監視視場模型,圖7為無人機監視視場模型側向示意圖,θel代表相機俯仰角度,選用30°視場角、1024×768像素的高清相機,高度為100m時,按照0.16m最低像素要求[7],可計算相機傾角的θel為30.12°,視場軸向范圍為179.1m。

圖7 無人機監視視場模型側向示意圖Fig.7 Lateral view of UAV surveillance field model

圖8為雙機監視視場模型俯視示意圖。假設地面車輛的速度為6m/s,采用兩架無人機并排構成監視視場,被監視車輛起始位置在視場的中心,計算目標縱向逃離時間為14.92s,橫向逃離時間為18.14s,根據低成本集群中指令延遲的最長時間13.13s,定位精度最大偏差為7.8m,逃離時間均大于延遲,可以完成目標追蹤任務。

圖8 雙機監視視場模型俯視示意圖Fig.8 Top View of dual-camera surveillance field

5 結論

無人集群系統被美軍視為改變未來戰爭游戲規則的顛覆性技術,在國防預算受限的背景下,無法通過高端裝備大規模地更新換代,而通過集群實現更低成本、更高效能的潛力,可以實現美國在第三次抵消戰略中期望的突破。

本文基于成熟貨架產品,開展了低成本集群系統的設計與搭建,對系統性能及關鍵參數進行了仿真設計與結果統計,并分析了低成本集群在軍事任務中的應用模式,探討了基于低成本實現集群打擊任務的可行性。根據仿真結果,由于低成本集群中延遲時間過大,無法滿足緊密編隊飛行的要求,但其性能可以滿足信息共享與目標追蹤兩項任務的要求,具備一定應用價值。后續研究中,可以搭建真實的無人機集群系統,開展飛行試驗，進一步研究低成本集群系統的性能與應用模式。