多无人机协同控制现状及发展前景探究

刘承相，熊俊杰，魏秀玲，孙多

（吉林动画学院民航学院，吉林长春，130000）

0 引言

为了减少在未来战争中人员的伤亡，无人机在战争中的使用愈发普遍，其占比也越来越多。除了在军事战争中的使用外，面对恶劣天气的时候，对于火山的勘探、交通管制和人工降雨方面无人机可以充分发挥自己的功能和优势。现如今科学技术突飞猛进，有好多领域都是依靠无人机才得以实现，无人机从最开始的单机完成任务到现在执行编队飞行任务，是一个从低级使用到高阶运用逐步进化的过程。无论是在民用领域和军事领域，科研人员都很清楚一加一大于二，所以多无人机与单机相比较，具有很大的优势，主要体现在一下三方面。其一，多无人机在任务完成率方面比单架相比高出几倍；其二，单架的任务完成时间比较慢，而多无人机比较快，大大缩短了任务完成时间；其三，增加信息感知量，单架无人机与多无人机相较，在相同环境下获取信息，不如多无人机信息获取的全面、广泛，可提供给决策者的信息不如多无人更准确，以上充分印证了多无人机协同控制达到的效果远远超过单架无人机，整体时效能较强。

1 国外发展现状

就目前多无人机协同控制技术发展而言，美国的研究成果最为显著。美国的科研单位和军事院校，早在几年前就已经开展了对该控制技术的研究工作，大量的研究工作也是针对美国军队和军事需求逐步延伸的。多无人机协同控制技术整体可分为三部分，分别为编队控制、航迹规划和任务分配。

1.1 编队控制

多无人机编队控制技术主要是为了能够保证无人接任务顺利完成，具体是指多无人机根据战争环境、因素以及态势按照一定的队形排列开，倘若其中某架无人机因特殊原因无法继续参与执行任务，剩下的无人机也可重整队形。图1所示的是目前多无人机编队的可控制方法。一种为领航-跟随法，这种队形最前面的一架无人机被称之为领航者，队形中其他无人机均称之为跟随者。而另一种为虚拟领航法，该方法是根据多无人机飞行航迹选择一合适固定点，编队中的所参与的无人机均是根据这一固定点来飞行，不存在领航者，也不需要领航者来引航。

1.2 多无人机协同航迹规划

多无人机协同航迹规划具体是指该机群整体性能达到最优的情况下，为其规划出一条从开始到目标点的航迹，而无人机群航迹的规划既是满足多无人机群的约束条件，还是性能指标最优的航迹，确保多无人机群安全、快速的运动至任务区域，极大程度的降低了被敌方发现和摧毁的概率。文献[1]通过对群蚁算法的改进来规划航迹，不但突破了多无人机航路规划中的不足，还根据试验结果找到了多无人机最优的航迹规划方法。

1.3 多无人机协同任务分配

为了提升多无人机任务完成的效率，缩短任务完成时间，多无人机可根据人们的需求对任务进行协同分配，以获取最大效益为目的。文献[2]中基于云架构的有/无人机协同作战任务分配方法；文献[3]基于一致性群组算法的多无人机自主协同任务分配，根据整个机群的运动状态进行任务分配，通过试验表明该方法的有效性。

2 多无人机协同控制面临的挑战

军事作战中，双方的对抗性较强，且战争环境和战争条件变化快，鉴于该情况的出现，多无人机协同控制在军事方面的需求也愈加强烈。为了充分发挥无人机自身在军事作战任务中的作用及优势，多无人机除了在任务执行中根据现实情况变化外，还要对战场上的态势和环境因素进行考虑，图2是多无人机在协同控制方面所面临的挑战[4]，具体体现如下。

图2 无人接协同控制面临的挑战

传统的军事战争与现代战争不同，现代战争不仅仅在陆地，还有海上和空中，作战环境和态势更是瞬息万变。此时，可依靠多无人机协同控制技术实现机群中的通信，获取较为全面的数据信息，并在较短的时间内实现传输，在传输过程中要排除网络、电磁和天气因素的影响，无形之中为多无人机的性能提出了更高的要求，所以在通信链路过程中，多无人机协同控制的关键就是保持通信通畅。

时效性在现代军事战争中有着重要作用，受天气原因、作战环境和作战条件的影响，急需多无人机在有限的时间内做出应对，比如：飞行的高度、运行的速度以及编队的结构等等，都需要在原有的基础上进行改变。多无人机协同控制与有人机和单架无人机不同，多无人机协同控制不仅要对整个机群进行考虑，还要对单架飞机的控制进行考虑，准确抓住时效性，进一步提升整体无人机执行任务和生存的成功概率。

多无人机协同控制技术发展是一项由低到高的过程，执行任务也从最初的简单变的愈加复杂，同时，无人机的控制对实时性的应对变化要求也越来越严格。该项技术主要包括机群间的信息融合、协同控制和传感测量等。若多无人机同时执行一项任务时，比如，火山勘查、土地灌溉等，计算量就相当庞大了；若是多无人机同时执行多项任务时，比如交通勘查、打击任务或者毁伤评估任务时，对于多无人机的计算量呈指数增长，这无疑对多无人机协同控制提出更大的挑战。

随着世界的发展多无人机在未来战场中所面临的环境与现在所面临的作战环境相比较，要复杂的多，变化也非常快。环境的变化本就非常频繁，人为不可预测，再加之未来的发展中环境的改变也会掺杂一些人为因素，所以，在战争中对于环境变化问题是不可忽视的。为了使多无人机能够从容的面对这些情况，并对复杂变换的战争环境制定有效的应对措施，必须大力发展多无人机协同控制技术，这也是我国在未来军事战争和民用方面中的一大挑战。以上几种因素交织在一起肯定会衍生出更多的问题，在这种情况下为了保证多无人机的作战手段和方式得以重视，就一定要克服作战过程中所发生的困难。

3 未来的发展趋势

单架无人机在军事战争中面对环境、天气以及作战态势等的复杂变幻因素时，已经无法满足也无法在时效内做出应对，所以对多无人机协同控制技术研发是迫切需要的。近几年，多无人机协同技术所执行的任务比较简单，面对的作战环境也比较单一，并且对于多无人机的时效性要求并不是特别严格。但是站在未来战场的角度出发考虑，就发展趋势而言，在未来战争中多无人机将要面临的作战环境肯定是较为复杂且实时变化的，与之前多无人机执行任务时的运动状态截然不同。同时，多无人机还要利用网络条件与其他作战的指挥平台进行通信，通过传递信息制定作战计划。以下几点是多无人机协同控制技术在未来发展中的主要表现[5]。

3.1 不同类型的多无人机协同控制

为了减少人员伤亡和财力消耗，在未来的战争中肯定是以无人机为主导，战场也将是多无人机的战场。未来战争中关于空中打击、敌方侦查、战机格斗以及空中加油、部署战略等方面，仅仅依靠单一无人机无法完成，届时可以根据未来战争的需求对多无人机协同技术进行研究，尽早实现各种类型的多无人机协同控制作战的完整体系，为多无人机结合作战环境凸显其作战特点奠定扎实基础[6]。

3.2 复杂、动态变化的战场环境中的多无人机协同控制

多无人机协同控制技术在面对微小的环境变化或者静态环境下执行任务时，是很容易实现的，但是在未来战争中，无论是空中作战还是海上作战，多无人机所要面对的环境实非常复杂的，动态变化频繁，所以多无人机协同控制技术在面临这些因素时也随之发生变化，并再时效内制定相应的作战计划，合理的分配作战任务，图3所示。其中的领航者在下达这些指令时，还要对跟随者进行考虑，避免在指令下达后随行者因突发情况不能参与执行任务，还要对作战中可能出现的威胁和敌机数量进行考量。正因如此，多无人机协同控制技术必须具备在未来战场中，对于环境变化能够作出应急反应的能力，这也是该技术研究过程中的重点之一。

图3 复杂的战场环境

3.3 网络化条件下的多无人机协同控制

利用无人机进行空中作战肯定是最好的选择，既为减少了人员伤亡，又减少了财力消耗。但是在未来的军事战场中，不仅仅只有空中作战，还有海面和陆地作战，同时还涉及到网络和电磁为一体的战场，充分证明军事作战的复杂性，只有单一的无人机作战也不能完成。一个综合的作战平台大致可分为六部分，除了多无人机平台外，还需要有海上作战平台、陆地后勤指挥部、大气层外的人造侦查卫星和电磁干扰、网络信息化平台等，这才是完整的军事作战体系。为了保证该体系顺利运行，关键在于网络，但是网络可能会由于电磁干扰、大气干扰、气候温度等苛刻的条件出现通信带宽受限、延时太长、传输信息丢失等情况。因此，研究解决网络化条件下的多无人机协同控制技术具有十分重要的意义[7]。

4 结语

随着多无人机协同环境感知、多无人机协同任务分配、多无人机在线协同航迹规划、多无人机协同编队等关键技术的突破，多无人机协同控制在军事和民用领域将会越来越受到重视[8-9]。多无人机协同控制作为一个前沿的研究方向，涉及的学科、领域都比较多，进一步拓展通信链路畅通、任务解耦问题、协同控制算法的研究，将加快多无人机协同控制器实用化进程。