1、无人机 DOI：1016338jissn1009131920160510 国外多无人相协同任务分配研究坝状及发展趋势 尹高扬 周绍磊 贺鹏程 雷肖剑 康宇航 摘 要 多无人机协同多任务 分配是实现多无人机协同作战的前 提。介绍了多无人机协同任务分配的 概念与需求。在此基础上，分析了当 今国外多无人机协同任务分配的最新 研究情况。根据战场环境以及实战需 求，着重分析了多无人机协同任务分 配所面临的挑战，并对多无人机协同 任务分配的未来发展前景进行了展 望。 关键词 多无人机 任务分 配 控制系统结构 实时性 引 言 人类自古就希望能够像鸟一 样在蔚蓝的天空自由翱翔，为此 人类一直孜孜不倦地努力着
2、。正 是因为这样，先后诞生了风筝、 竹蜻蜓等象征人类飞翔的东西。 直到1903年，美国的莱特兄弟 制造出第一架依靠自身动力进行 载人飞行的飞机飞行者1 号，并在随后的试飞中取得了成 功，这标志着人类终于实现了古 来已久的梦想。 飞机的出现给人类也带来了 太多便利，但是，随着人类对危 险领域的探索以及战争的需要， 传统有人驾驶的飞机已经不再能 够满足以上要求，无人机正是在 图1多无人机编队执行任务 这一大背景下诞生的。通常，无 但是由多架同构、异构无人机组 人机指的是能够自主控制或由地 成的无人机编队(图1所示)协 面操作人员操控的无人驾驶飞 同执行任务成为了新的研究热 机 。 点 J。由于编队
3、中的无人机性 自19世纪60年代以来，战 质、用途、有效载荷、作战能力 场不再是传统的陆、海、空战 等各不相同，在满足各方面约束 场，而是向着陆、海、空、天、电 的前提下，如何在合适的时间内 一体化方向发展，各种军事理 尽可能将所有任务分配给无人机 论、武器装备也因此层出不穷。 编队，以实现性能指标达到最大 无人机作为新生代的产物，得到 值，是能否充分发挥无人机编队 了非常高的重视。 协同工作效能的关键。这就是多 进入新世纪，无人机的发展 无人机协同任务分配问题 。 更加迅速，虽然目前有人驾驶歼 无论是理论研究，还是工程 击机、轰炸机、强击机、预警机 实践方面，美国在多无人机任务 以及运输机等
4、仍然是主战战机， 分配领域都处在世界顶尖水平。 本文2016-01-24收到，尹高扬、周绍磊分别系海军航空工程学院讲师、教授 54 飞航导弹2016年第5期 无人机 图2 SWARM执行任务模拟图 其国内多所军事院校、科研单 位、军火公司都曾以全球鹰、捕 食者、X-45、X-47等无人机为背 景，进行了多无人机的协同任务 分配以及其它协同控制问题研 究。 图2为美军已经开始研制的 微型无人机系统单元可重组 作战飞机阵列(SWARM)执行任 务模拟图。通过选取多架微型无 人机组成作战飞机阵列，能够同 时完成侦察、监视、情报搜集、 攻击以及毁伤评估等任务， SWARM采集的各种信息可以传 输到指挥
5、中心，一并汇集到指挥 人员处进行处理，做出判断。当 飞机阵列中微型无人机的智能化 水平达到一定程度时，可以不经 过指挥人员下达指令而直接对敌 方目标进行攻击_l 。 1国外研究现状 由于战场态势、战争环境瞬 息万变，因此，无人机编队遂行 各种作战任务时，战场环境势必 不是一成不变的。无人机编队需 要根据任务类型与数量、各种战 飞航导弹2016年第5期 场约束条件、能够执行任务的无 人机型号与数量等条件而采取不 同的任务分配控制方式。通常， 无人机任务分配的控制方式主要 有集中式控制、分布式控制与分 层次分布式控制三种 塘J。 11 集中式控制系统结构 集中式控制系统(图3所 示)指的是编队中所
6、有无人机通 过唯一的一个控制中心进行通 信，实现信号传输以及控制的一 种系统结构。 集中式控制系统的控制中心 可以是陆基平台、海基平台、空 基平台或天基平台。编队内所有 图3集中式控制系统结构 无人机将其采集的外部信息以及 自身状态信息传输至控制中心， 再由控制中心对这些信息进行分 类、融合、分析与决策，并形成 新的控制指令，随后发送给编队 内的无人机，实现多无人机的任 务分配。目前，基于集中式控制 系统进行多无人机任务分配的模 型主要有多旅行商问题模型 (MTSP)、车辆路径问题模型 (VRP)、动态网络流优化模型 (DNFO)、混合整数线性规划模 型 叫(MILP)、无人机多任务 分配问题
7、模型(CMTAP)等。 文献19以美军的捕食者 与全球鹰为研究对象，将多无人 机的任务分配问题转化为VRP 问题模型，模型中将无人机视为 车辆，侦察目标视为顾客，最后 采用禁忌搜索算法求解此问题。 文献20则将类似的问题转化 为带时间窗的MTSP问题，最后 采用反射禁忌搜索算法求解该问 题。 集中式控制系统结构的优点 主要有全局求解能力强，能够综 合考虑所有约束，比较适合求解 具有强耦合的多无人机任务规划 问题。但是，由于数据传输都需 要通过唯一的一个控制中心进 行，处理信息量太大，不易满足 实时性要求，且可靠性、可维护 性、抗干扰性都不高。 12分布式控制系统结构 分布式控制系统(图4所 示
8、)指的是编队中所有无人机不 仅能通过控制中心进行通信，实 现信号传输，还能在编队内的无 人机之间实现通信的一种控制系 统结构。 55 无人机 图4分布式控制系统结构 与集中式控制系统结构相 比，分布式控制系统结构对于编 队内无人机要求更高，此时编队 内的无人机不仅需要具备与控制 中心的通信能力，还需要具备独 立计算、分析与决策能力。编队 内的无人机能相互通信，共享其 所采集到的信息以及自身状态信 息。目前，基于分布式控制系统 结构的任务分配方法主要包括基 于合同网(Contract Net)市场竞 拍机制的方法、基于粒子群优化 算法(PSO)的多无人机任务分配 方法、分布式模型预i贝4控制方法
9、 (DMPC)、基于蚁群算法的多无 人机任务分配方法等。 文献23就采用了基于合 同网市场竞拍机制的方法实现了 编队内无人机的任务指派与交 换；位于美国马里兰州德国镇的 代理航空系统公司(Proxy Avia tion Systems)也曾按照与美军无 人机作战实验室签订的合作研究 与开发协议，对其天空哨兵 (Shywatcher)无人机和天空力量 (Skyforce)软件与通信网络进行 了演示验证，其中就包括多无人 机的任务分配演示验证。 56 分布式控制系统结构优点主 要有结构中的无人机可以实现信 息共享，这样可以大大提高系统 的可靠性与鲁棒性，减少控制中 心处理的信息量。但是，其对无 人
10、机本身要求更高，且编队内的 无人机只是获得了其附近能够进 行通信无人机的信息，与此同 时，无人机与控制中心传输的信 息量相应地也会减少，以致控制 中心得到的信息不全，无法得到 全局最优解。 13 分层次分布式控制系统结构 分层次分布式控制系统(图 5所示)属于一种混合控制系统 结构。系统按照一定的规律对无 人机进行归类与分层，所有的无 人机按照类别进行分组，组内采 用集中式控制系统结构，而不同 组则与控制中心采用分布式控制 系统结构，同一层次的无人机类 则采用集中式控制系统结构。 分层次分布式控制系统结构 吸收了集中式控制系统结构与分 布式系统结构两者的优势，在无 人机执行任务前会预先分配各组
11、 无人机编队任务。各无人机组在 执行任务时，可以根据实际情况 动态地自主智能调整与控制中心 之间的信息交互量，这样不仅能 减少通信信息量，节约计算时 间，还能根据战场态势及时做出 一定的任务分配调整，更贴近真 实的战场需求。但是，在无人机 的分组、无人机组与控制中心信 息交互的先后等一些问题上，需 要设计合适的协调机制，否则， 设计的分层次分布式控制系统结 构可能远远还不如集中式控制系 统结构与分布式系统结构。 2主要挑战 目前，国外军事院校以及商 业公司等部门对于多无人机协同 任务分配的研究十分普遍，成果 也很多。但是，在多无人机协同 任务分配的模型建立与算法求 解、任务规划实时性要求、动态
12、 任务分配等方面，仍然存在不少 问题，存在很大的挑战。 1)模型建立与算法求解 对于多无人机协同控制的问 题，如多无人机协同搜索、跟 踪、任务分配、航迹规划、编队 控制等，在无人机模型建立方 面，基本都是未考虑实际战场需 求，仅仅是建立一种无人机模型 来研究这些问题。但是，在实际 作战时，不可能仅投入一种或 23种无人机，一场空战肯定 图5分层次分布式控制系统结构 飞航导弹2016年第5期 无人机 需要投入战斗机、预警机、电子 干扰机、侦察机、轰炸机、强击 机、运输机等，单一的机种作战 太不切实际；另一方面，目前用 于多无人机任务分配的优化算法 大多还是20世纪6090年代提 出的一些传统的优
13、化算法。这些 算法固然有非常好的应用价值， 但是，传统的优化算法多是基于 单目标函数的优化问题而提出 的，且大多数基于理论研究，未 考虑实际空战的各种约束条件等 因素。因此，“向实战聚焦”，探 究更符合真实战场的无人机模型 以及求解算法，是一个十分迫切 的问题，也是多无人机任务分配 能否真正应用于实战的一大挑 战。 2)任务分配的实时I生要求 当前求解多无人机任务分 配问题的方法耗时较长，还有 一些仅是单纯的离线任务预分 配算法，这些都仅适合于理论 研究，要想将这些算法应用于 工程中，必须要考虑实时性问 题。如果某个算法可能计算的 非常准确，但是时间花费太大， 这是没有实际应用价值的。算 法的
14、准确性与实时性也应该处 在并重的地位，只有这样，任务 分配的方案与方法才具有工程 价值。因此，如何研制满足实时 性要求的多无人机任务分配方 法，是其能否真正在工程上实 现的关键挑战。 3)动态任务分配 对于求知以及解决问题的方 法总是由易到难，这一点在多无 人机任务分配方法上也是如此。 迄今为止，大多数方法都是基于 飞航导弹2016年第5期 攻击型无人机 图6异构多类型无人机 目标的属性、方位和价值已知的 前提下而提出的。然而，战场要 素、环境态势不可能是静态的， 真实的战场环境是变幻莫测的， 以致随时都可能会出现突发情 况，任务分配的方案也随时可能 出现变更。为了有效应对动态环 境的随机变化
15、特征，如何研制自 适应能力强、自组织能力强的多 无人机动态任务分配方法，也是 当前多无人机协同任务分配问题 必须解决的难题。 3未来的发展趋势 多无人机协同多任务分配是 多无人机协同控制的一个重要方 面。从协同多任务分配问题的求 解以及应用的角度分析，该类分 配问题还存在以下关键问题需要 进一步研究与解决。 31异构多类型无人机的协同 任务分配 目前，对于多无人机协同多 任务分配主要是研究同类型多无 人机的分配问题。由于同类无人 机可以执行相同的任务，在满足 时序约束条件时，只需要考虑多 无人机对同一目标的不同任务之 间的时序要求。 在真实的战场环境中，不 可能由单一的无人机去完成作 战任务，
16、未来的战场肯定是属 于异构多类型无人机(图6所 示)的战场。对于异构多无人 机，其自身携带的传感器、战术 使命、作战效能、作战半径、战 略意图等各不相同，异构多类 型无人机载传感器采集的信息 是否能够进行有效快速融合， 以得到精确的需求信息；当异 构类型无人机中的某一类型无 人机数量不够时，如何选用其 它无人机替代完成任务；面对 如此错综复杂的异构无人机系 统，如何制定满足各方面因素 和约束的作战体系、机制；不同 种类的任务如何分配给恰当的 异构无人机，以实现性能指标 的最优；指挥控制中心如何采 购合适数量的异构无人机以满 足当今、未来战场的现实需求 等问题，都是未来多元人机协 57 无人机
17、同任务分配需要深思的方向。 32有人机与无人机协同任务 分配 由于无人机各方面性能的优 势以及各种现实状况，无人机将 逐步取代有人机成为空战场中的 主战武器。但是，当前乃至很长 一段时间内，有人机仍将作为空 战中的主战武器装备，在无人机 取代有人机的过程中，肯定会经 历有人机与无人机编队协同作战 的过程，这方面也正受到国内外 学者的密切关注。 有人机与无人机协同任务分 配(图7所示)问题作为有人机 与无人机协同作战问题的一部 分，也将受到世界各国的重视。 一方面，有人机与无人机协同任 务分配可以做到各司其职，毕竟 现有的无人机智能化水平仍然有 限，不少任务仍需要有人机去 完成，而为了降低人员伤
18、亡率， 无人机能够完成的任务也就没 有必要采用有人机去完成；另 一方面，有人机与无人机协同 任务分配可以充分发挥人类的 主观能动性，这样能大幅度提 高任务的完成率。因此，如何有 效、有序、有理地找出有人机与 无人机协同任务分配方案，将 是当前及未来研究的一个重要 方向。 33 不确定条件下带不同时延 的多无人机任务分配 当前的多无人机协同任务分 配基本都是基于已知确定条件， 且根本不考虑多无人机之间的通 信问题。但是，在实战中，战场 环境不可能如平时那样提前预 知，编队内多无人机之间的通信 58 图7有人机一无人机协同任务分配 也不可能时时畅通，突发情况随 时都可能发生。面对突然出现的 未知状
19、况，编队不能坐以待毙， 应该根据现实情况尽快做出最合 适的方案。面临不确定条件与环 境时如何实现多无人机的任务分 配，是一个很有现实意义的研究 方向。编队内的无人机由于性能 差异，通信延迟时间也不可能一 样，对于同构无人机之间的通信 尚且好说，若是需要进行异构无 人机之间的信息互通(直接双向 通信)，必定需要考虑在不同时 延条件下如何进行多无人机协同 任务分配，以实现全局性能指标 最优，这也将是一个亟需解决的 问题。 4结束语 多无人机协同作战是时下研 究的热点问题，多无人机协同任 务分配作为其“主枝干”，也吸引 了国内外众多学者的广泛关注。 研究高效率的协同多任务分配模 型及求解算法，对提高
20、多无人机 的作战效能具有较大的理论和实 际意义。 参考文献 1何凡，吴文海，曲建岭美国海 军无人机系统的发展现状、趋 势及关键技术飞机设计， 2007，27(1) 2 李春锦，文泾无人机系统的运 行管理北京：北京航空航天大 学出版社，2011 3李炜，张伟基于粒子群算法的 多无人机任务分配方法控制 与决策，2010，25(9) 4 邸斌，周锐，丁全心多无人机 分布式协同异构任务分配控 制与决策，2013，28(2) 5朱毅，张涛，程农，等多UAV 协同任务规划研究系统仿真学 报，2009(20) 6 刘跃峰，张安有人 无人机 编队协同任务分配方法系统 工程与电子技术，2010，32(3) 7苏
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