面向空地协同作战的无人机-无人车异构时变编队跟踪控制

周思全 化永朝 董希旺 李清东 任章

DOI：10.12132/ISSN.1673-5048.2019.0149

摘要：本文研究了无人机自主伴飞协同侦察技术中的异构集群系统空地协同时变编队跟踪控制问题，要求多无人机与无人车在形成期望时变编队构型的同时，实现对领导者参考轨迹的跟踪。首先，对无人机与无人车进行单体运动学与动力学建模，并引入代数图论概念，建立异构集群系统的协同控制模型。然后，引入虚拟领导者刻画编队整体的运动轨迹，并基于对虚拟领导者状态的分布式观测器，对各无人机-无人车构造分布式编队跟踪控制器。进一步分析异构集群系统实现时变编队跟踪的可行性条件，给出编队跟踪控制器中各参数的选取方法。最后，给出了一个仿真例子来验证所设计控制器的有效性。

关键词：异构集群系统;分布式控制;时变编队;跟踪控制;武器协同技术

中图分类号：TJ765;V279文献标识码：A文章编号：1673-5048（2019）04-0054-06

0引言

近年来，无人作战系统作为改变未来战争模式的颠覆性技术装备，在世界范围内得到飞速发展，已经成为国家间军事博弈的重要力量。面向未来作战应用需求，聚焦复杂区域反恐及城市巷战等典型任务场景，以多无人机与多无人车组成的异构无人集群系统具有重要的研究价值。无人机自主伴飞协同侦察技术即多架无人机作为地面侦察车辆的“飞行慧眼”，在地面车辆周围伴随飞行。通过多无人机与地面车辆的交互协同和信息融合，提供抵近侦察及跨域感知能力，拓展地面侦察车辆信息获取的精度和维度，提升异构集群系统的侦察效能。实现无人机自主伴飞协同侦察技术实战化应用涉及到异构无人系统建模及拓扑优化设计、分布式多源异构信息融合以及异构无人集群系统自主时变编队控制等关键技术。

编队控制是集群系统协同控制领域中的重要课题，通过调整各对象的相对阵位关系，使其形成特定构型，以完成诸如协同侦察、探测等任务。考虑到实际应用条件的复杂性和任务需求的多样性，集群系统的编队构型往往不是固定不变的，需要系统能够根据实际需求实时动态调整所形成的构型，即时变编队控制。

无人机与无人车是集群系统中最具有代表性的两种对象，通过无人机与无人车的合理配合，可

以弥补单一类型对象的不足，有效提升协同作业效能。例如，在复杂地形条件的侦察中，侦察作战车辆往往会因为周边环境中障碍物的遮挡而无法有效探测，甚至出现多车辆间的通信丢失，通过引入多架无人机进行编队控制，实现伴飞协同侦察，可以为地面车辆整体侦察决策提供大范围环境信息，并可作为地面通信障碍时的通信中继，实现异构集群系统的优势互补与协同配合。

由于无人机与无人车具有完全不同的物理结构，其建立的运动学和动力学模型也完全不同，且无人机在空中做三维运动，无人车在地面做二维运动，所以研究异构集群系统的时变编队跟踪控制问题是解决包括空地协同在内的跨介质异构协同的关键问题，具有重要的理论研究价值和工程意义。

目前，常见的编队控制策略包括基于行为的、基于虚拟结构的以及基于领导者-跟随者的方法[1-3]。但是，领导者-跟随者方法严重依赖于领导者的运动，领导者的故障将会导致整个编队的崩溃;基于行为的编队方法依靠于定性的行为规则，难以建立整个系统的定量模型，无法保证整个系统编队运动的稳定性;基于虚拟结构的方法需要中心节点进行集中式控制，不能够以分布式的形式实现。近年来，随着一致性控制理论的发展与完善，基于一致性的编队控制方法受到国内外研究者的广泛关注[4-8]。该方法仅利用邻居节点的相对作用信息设计本地控制器，结构简单，具有较好的可扩展性与自组织性，同时，该方法能够在一定程度上克服传统编队控制方法的缺点。

但是，现有的基于一致性的编队控制方法主要针对同构集群系统，即要求具有完全相同的数学模型。由于无人机与无人车具有不同的动力学模型，并且状态维度存在差异，已有的针对同构集群系统的编队控制方法难以直接应用[9-13]。此外，现有方法大多只能够实现时不变编队构型，而在实际应用中，为了应对复杂的外部环境以及任务的变化，异构集群系统需要能够实时动态调整自身的编队队形，因此，本文所提出的异构时变编队控制更具有工程应用价值与一般性[14-16]。

统在形成期望的时变编队构型的同时，能够跟踪变编队跟踪控制方法，使得多无人机与无人车系

期望的参考航迹运动。该控制方法的主要优点如下：不同于现有的同构集群固定编队控制，该方法能够应对外部环境和系统任务的快速变化，实现由无人机与无人车组成的异构集群系统的输出时变编队跟踪，具有较强的灵活性和适用性;且该方法仅利用邻居节点的相對作用信息设计分布式观测器和编队控制器，结构简单，具有较好的可扩展性与自组织性，能够有效提升控制效果，为实现无人机自主伴飞协同侦察提供了一种可行方法。

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