面向空地協同作戰的無人機-無人車異構時變編隊跟蹤控制

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同偵察技術中的異構集群系統空地協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，并引入代數圖論概念，建立異構集群系統的協同控制模型。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實現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;分布式控制;時變編隊;跟蹤控制;武器協同技術

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，無人作戰系統作為改變未來戰爭模式的顛覆性技術裝備，在世界范圍內得到飛速發展，已經成為國家間軍事博弈的重要力量。面向未來作戰應用需求，聚焦復雜區域反恐及城市巷戰等典型任務場景，以多無人機與多無人車組成的異構無人集群系統具有重要的研究價值。無人機自主伴飛協同偵察技術即多架無人機作為地面偵察車輛的“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同和信息融合，提供抵近偵察及跨域感知能力，拓展地面偵察車輛信息獲取的精度和維度，提升異構集群系統的偵察效能。實現無人機自主伴飛協同偵察技術實戰化應用涉及到異構無人系統建模及拓撲優化設計、分布式多源異構信息融合以及異構無人集群系統自主時變編隊控制等關鍵技術。

編隊控制是集群系統協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，以完成諸如協同偵察、探測等任務。考慮到實際應用條件的復雜性和任務需求的多樣性，集群系統的編隊構型往往不是固定不變的，需要系統能夠根據實際需求實時動態調整所形成的構型，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，有效提升協同作業效能。例如，在復雜地形條件的偵察中，偵察作戰車輛往往會因為周邊環境中障礙物的遮擋而無法有效探測，甚至出現多車輛間的通信丟失，通過引入多架無人機進行編隊控制，實現伴飛協同偵察，可以為地面車輛整體偵察決策提供大范圍環境信息，并可作為地面通信障礙時的通信中繼，實現異構集群系統的優勢互補與協同配合。

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的時變編隊跟蹤控制問題是解決包括空地協同在內的跨介質異構協同的關鍵問題，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則，難以建立整個系統的定量模型，無法保證整個系統編隊運動的穩定性;基于虛擬結構的方法需要中心節點進行集中式控制，不能夠以分布式的形式實現。近年來，隨著一致性控制理論的發展與完善，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編隊控制方法的缺點。

但是，現有的基于一致性的編隊控制方法主要針對同構集群系統，即要求具有完全相同的數學模型。由于無人機與無人車具有不同的動力學模型，并且狀態維度存在差異，已有的針對同構集群系統的編隊控制方法難以直接應用[9-13]。此外，現有方法大多只能夠實現時不變編隊構型，而在實際應用中，為了應對復雜的外部環境以及任務的變化，異構集群系統需要能夠實時動態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點如下：不同于現有的同構集群固定編隊控制，該方法能夠應對外部環境和系統任務的快速變化，實現由無人機與無人車組成的異構集群系統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，為實現無人機自主伴飛協同偵察提供了一種可行方法。

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