1、引 用 格 式：王欢，刘树光，张 博洋 基于分层控 制结构的有 人 无 人 机编队队 形 控制 电光 与控制，,（）：,（）：基 于 分 层 控 制 结 构 的 有 人 无 人 机 编 队 队 形 控 制王 欢，刘 树 光，张 博 洋（空 军 工 程 大 学 装 备 管 理 与 无 人 机 工 程 学 院，西 安）摘 要：针 对 有 人 无 人 机（）系 统 在 三 维 空 间 下 的 协 同 编 队 队 形 保 持 和 变 换 问 题，提 出 了 具 有 分 层 结 构 的有 人 无 人 机 编 队 控 制 方 法。根 据 有 人 无 人 机 指 挥 控 制 方 式 和 作 战 流 程，设
2、计 有 人 无 人 机 编 队 系 统 控 制 结 构，其 中，采 用 动 态 面 控 制 方 法 设 计 有 人 机 轨 迹 跟 踪 控 制 器，解 决 了 反 步 控 制 中 虚 拟 控 制 信 号 反 复 求 导 的 问 题；基 于 有 限 集 中分 布 式 编 队 控 制 策 略 设 计 无 人 机 编 队 控 制 器，实 现 了 多 架 无 人 机 与 有 人 机 的 协 同 编 队 飞 行，并 基 于 理 论 证明 了 控 制 器 的 稳 定 性。最 后，针 对 三 维 空 间 下 的 有 人 无 人 机 编 队 进 行 仿 真，仿 真 结 果 验 证 了 所 设 计 有 人 无
3、人 机 编 队控 制 策 略 的 有 效 性。关 键 词：有 人 无 人 机 编 队；分 层 结 构；编 队 控 制；动 态 面 控 制中 图 分 类 号：；文 献 标 志 码：,（,）：（）,：；引 言在 信 息 化、网 络 化 和 体 系 对 抗 环 境 下，有 人 无 人机 协 同 作 战 具 有 作 战 效 能 高、决 策 能 力 强 等 诸 多 优 势，收 稿 日 期：修 回 日 期：基 金 项 目：国 家 自 然 科 学 基 金（）；装 备 预 研 国 防 科 技 重 点实 验 室 基 金（）；空 军 工 程 大 学 研 究 生 创 新 实 践 基 金（）作 者 简 介：王 欢（）
4、，女，陕 西 渭 南 人，硕 士 生。通 讯 作 者：刘 树 光（），男，山 西 怀 仁 人，博 士，副 教 授，硕 导。在 军 事 领 域 有 着 极 强 的 作 战 潜 力 和 应 用 前 景。年，美 国 空 军 研 究 实 验 室 启 动“忠 诚 僚 机”项 目，旨 在 未来 对抗 和 拒 止环 境 下 形成 高 效、灵 活 的“长 僚 机”编 队系 统，增强 美 国 空军 作战 能力。有人 无 人 机 编队 控制 作为 实现“长 僚机”编队 系统 的 关 键 技 术，成 为 当前 国 内 外 研 究 人 员 广 泛 关 注 的 研 究 课 题。战 场 形 势 时 刻 变 化，敌 方 目
5、 标 实 时 机 动，有 人 无人 机 编 队 需 要 根 据 战 场 态 势 和 作 战 需 求 进 行 队 形 调整，快 速 成 形 并 保 持 期 望 的 编 队 队 形。文 献 第 卷 第 期 年 月 电 光 与 控 制 基 于“长 僚 机”控 制 框 架 研 究 了 编 队 队 形 的 控 制 问题；文 献 针 对 大 规 模 固 定 翼 无 人 机 编 队 控 制 问 题，提 出 了 具 有 分 层 结 构 的 编 队 控 制 策 略，为 长 机 设 计 路径 跟 踪 控 制 律 跟 踪 预 定 航 线，多 架 僚 机 在 编 队 控 制 律的 作 用 下 与 长 机 形 成 期
6、望 编 队 构 型；为 解 决 有 人 无 人机 编 队 队 形 控 制 问 题，文 献 在“长 僚 机”编 队 控制 模 式 的 启 发 下，建 立 有 人 无 人 机 相 对 运 动 学 方 程，参 考 有 人 机 编 队 作 战 经 验 并 结 合 编 队 特 点 构 建 编 队 队形 库，实 现 了 有 人 无 人 机 编 队 队 形 的 保 持 和 变 换；考虑 到 编 队 中 各 架 无 人 机 自 主 性 程 度 的 差 异，文 献 将 鸽 群 层 级 交 互 机 制 用 于 有 人 无 人 机 编 队 控 制 问 题中，实 现 了 有 人 无 人 机 编 队 运 动 的 一 致
7、 性。值 得 注 意 的 是，上 述 文 献 更 多 关 注 有 人 无 人 机 编队 飞 行 的 几 何 关 系，尚 未 考 虑 有 人 机 飞 行 员 的 认 知 判断 和 指 挥 控 制 能 力。文 献 为 充 分 发 挥“人 机”协同 作 用，设 计 了 有 人 无 人 机 编 队 控 制 系 统 结 构 和 队 形变 换 策 略，飞 行 员 可 更 改 队 形 参 数，并 将 编 队 指 令 发 送至 各 无 人 机，具 有 较 强 的 适 用 性；在 文 献 编 队 控 制系 统 结 构 的 基 础 上，文 献 针 对 有 人 无 人 机 编 队 队形 保 持 问 题，对 编 队
8、内 的 有 人 机 和 无 人 机 建 立 了 相 对距 离 角 度 运 动 学 模 型，达 到 了 理 想 的 编 队 保 持 效 果。然 而，文 献 仅 考 虑 固 定 高 度 下 有 人 无 人 机 编队 队 形 控 制 问 题，降 低 了 编 队 问 题 的 难 度，但 对 于 高 度变 化 的 协 同 编 队 飞 行 存 在 一 定 的 局 限 性。为 解 决 上 述 问 题，本 文 针 对 三 维 空 间 下 有 人 无 人机 编 队 队 形 保 持 与 变 换 问 题，提 出 了 具 有 分 层 控 制 结构的 有人 无 人 机 编 队 控 制 方 法。从 有 人 无 人 机 指
9、 挥控制 方式 和 作 战流 程视 角出 发，设 计 有 限 集 中 分 布 式 编队系 统控 制 结 构；然 后，建 立 有 人 机 三 维 运 动 学 模 型 并分析 有 人 无 人 机 系 统 实 现 期 望 编 队 构 型 的 可 行 性 条件；基于 分 层 控 制 结构，将 有 人 无 人 机 编 队 队 形 控 制 问题分 解为 有 人 机的 轨迹 跟踪 和 编 队 控 制 两 个 层 面，采 用动 态 面 控 制 方 法 设 计 有 人 机 轨 迹 跟 踪 控 制 器，基 于 有限 集 中 分 布 式 编 队 控 制 策 略 对 各 架 无 人 机 设 计 编 队 控制 器 跟
10、随 有 人 机，实 现 有 人 无 人 机 期 望 编 队 飞 行。有 人 无 人 机 编 队 控 制 系 统 设 计 编 队 控 制 系 统 结 构 设 计有 人 机 与 无 人 机 在 指 挥 控 制、决 策 判 断、信 息 交 互等 方 面 存 在 显 著 差 别，选 择 合 适 的 协 同 控 制 结 构 可 确保有 人 无人 机 之 间 进 行 有 效 的 信 息 交 互，实 现 多 机 态势感 知。目前，有 人 无 人 机 编 队 控 制 结 构 主 要 有 完全 集 中式（无 人 机 完 全依 赖 有 人机 决 策）、有 限 集 中 分 布式（部 分 无 人 机 完 全 依 赖
11、有 人 机 决 策）及 无 中 心 分 布 式（无人 机 协 商 自 主 决 策）种。在 有 限 集 中 分 布 式控 制系 统中，无 人 机 具 有 一 定 的 自 主 能 力，部 分 无 人 机完 全依 赖有 人 机 决策，有 人机 飞 行 员 作 为 系 统 的 主 要 决策 者，指 挥 引 导 各 架 无 人 机 遂 行 编 队 任 务；当 编 队 任 务发 生改 变或 突 发 威胁 时，地面 控 制 站 通 过 通 信 链 路 将 信息 反馈 至 有 人 机 和 无 人 机 平 台，形 成 闭 环 反 馈 控 制 系统，为 系 统 提 供 技 术 支 持 保 障 和 辅 助 决 策。
12、本 文 考 虑 有 人 无 人 机 指 挥 控 制 方 式、作 战 流 程 及平 台 的 功 能 层 次 性，基 于 有 限 集 中 分 布 式 协 同 模 式 设计 编 队 控 制 系 统 结 构，如 图 所 示。图 有 人 无 人 机 编 队 控 制 系 统 结 构 有 人 无 人 机 编 队 控 制 系 统 分 为 规 划 决 策 层、通 信网 络 层 和 协 同 控 制 层。其 中，规 划 决 策 层 主 要 由 有 人机 飞 行 员、轨 迹 跟 踪 控 制 器 和 人 机 交 互 界 面 组 成。飞行 员 通 过 轨 迹 跟 踪 控 制 器 操 纵 有 人 机 实 现 预 定 轨 迹
13、 飞行，并 对，发 出 语 音 控 制 指 令，通 过 交 互 界面、文 本 命 令 理 解 模 块，提 取 编 队 队 形 参 数 并 将 其 转 化为 无 人 机 能 够 理 解 识 别 的 任 务 指 令；有 人 机、无 人 机 平台 与 地 面 控 制 站 之 间 通 过 通 信 网 络 层 实 现 信 息 的 传送；和 通 过 数 据 链 路 接 收 到 有 人 机 指 令后，采 用 分 布 式 通 信 网 络 与，进 行 信 息 交互，无 人 机 编 队 控 制 器 作 为 协 同 控 制 层 的 核 心，快 速 跟踪 有 人 机 的 速 度、姿 态，并 与 有 人 机 和 邻 居 无 人 机 之 间保 持 期 望 的 编 队 构 型，实 现 整 个 编 队 的 协 同 飞 行。编 队 控 制 通 信 拓 扑 模 型多 无人 机 编 队系 统 内，个 体 间 的 通 信 拓 扑 关 系 可 以用 无向 图，来 表 示，其 中，节 点 集，表 示 无 人 机 个 体 的 集 合，边 集（，）：，第 卷 电 光 与 控 制
