󰀁第30卷󰀁第4期航󰀁空󰀁学󰀁报Vol󰀁30No󰀁4󰀁2009年󰀁󰀁4月ACTAAERONAUTICAETASTRONAUTICASINICAApr.󰀁2009

收稿日期:2008󰀂01󰀂20;修订日期:2008󰀂05󰀂08基金项目:国家自然科学基金(60674100)通讯作者:樊琼剑E󰀂mail:fanqiongjian@yahoo.com.cn󰀁󰀁文章编号:1000󰀂6893(2009)04󰀂0683󰀂09

多无人机协同编队飞行控制的研究现状樊琼剑1,2,杨忠1,方挺1,沈春林1

(1.南京航空航天大学自动化学院,江苏南京󰀁210016)(2.空军航空大学航空控制工程系,吉林长春󰀁310022)ResearchStatusofCoordinatedFormationFlightControlforMulti󰀂UAVs

FanQiongjian1,2,YangZhong1,FangTing1,ShenChunlin1

(1.CollegeofAutomationEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing󰀁210016,China)(2.DepartmentofAviationControl,AviationUniversityofAirForce,Changchun󰀁310022,China)

摘󰀁要:多无人机(UAVs)编队飞行的协同侦察、作战模式可以在一定程度上提高单机单次作战任务的成功概率,因而引起各国对多机编队飞行的研究热潮。针对这一情形,在介绍了多UAV协同编队飞行(CFF)的定义和应用特点的基础上,结合近年来国内外多UAV编队飞行的发展状况和一些主要的研究成果,着重分析和讨论了编队飞行控制中几个相关的关键技术问题,主要包括:队形设计、气动耦合、队形的动态调整、航迹规划、信息互换以及编队飞行控制策略等问题;最后对未来的发展趋势进行了展望。研究成果对正在研究的多机作战平台系统的协同作战技术具有一定的参考意义。关键词:多无人机;协同编队飞行;飞行控制策略;测试;信息分析中图分类号:V249󰀁1󰀁󰀁󰀁文献标识码:AAbstract:Cooperativereconnaissance,operationmodesofmulti󰀂unmannedaerialvehicles(UAVs)formationflightcanenhancesuccessfulrateofthesingleoperationforsingleaircrafttosomeextent,somulti󰀂UAVsfor󰀂mationflightiscurrentlyoneofthemostactiveresearchtopicsinthedomainofUAVresearchanddevelop󰀂ment.Accordingtothecurrentsituation,theconceptandapplicationofcoordinatedformationflightcontrolisintroducedfirstly.Thentheforeignanddomesticresearchesandtheirresultsintheaspectofcoordinatedformationflight(CFF)controlofmulti󰀂UAVsareoverviewed,andatthesametimeseveralrelatedkeyissuesarediscussedandanalyzedrespectively,includingformationdesign,aerodynamiccoupling,formationreconfig󰀂uration,trajectoryplanning,informationexchangeandformationflightcontrolstrategyprlblems.Finally,researchareasareproposedtoaddressdevelopmenttendencyandchallenges.Theresearchresultsalsohavesomereferencevalueforcooperativeoperationsofthemulti󰀂platformsystem.Keywords:multi󰀂unmannedaerialvehicles;coordinatedformationflight;flightcontrolstrategy;testing;informationannlysis

󰀁󰀁自从无人机(UnmannedAerialVehicle,

UAV)在1991年的海湾战争中得到成功运用以

来,已有三十多个国家投入大量的人力和财力从

事UAV的研究和生产。经过几十年的发展,UAV技术已相对成熟,并在各个领域中发挥了

其独特的作用。尽管如此,单架的UAV执行任

务时仍存在相应的问题,如执行侦察任务时,单架

UAV可能会受到传感器的角度限制,不能从多个不同方位对目标区域进行观测,当面临大范围

搜索任务时,不能有效地覆盖整个侦察区域;而如

果是执行攻击任务,同样,单架UAV在作战范围、杀伤半径、摧毁能力以及攻击精度等方面受到的限制,会影响整个作战任务的成功率;另外,一

旦单架UAV中途出现故障,必须立即中断任务

返回,但在战争中有可能贻误战机而破坏整个作战计划。

针对以上现状,多年来人们通过分析生物群

体的社会性现象,如模仿群鸟迁徙过程中,其队形保持、节省能量以及协同对抗天敌等能力,来解决

目前所关注的问题,其目的是为了尽可能地发挥

单架UAV的作用,实现多UAV协同编队飞行(CoordinatedFormationFlight,CFF)的控制、决

策和管理,从而提高UAV完成任务的效率,拓宽

UAV使用范围,达到安全、高可靠性地执行空中加油、空中监视、侦察和作战等多种任务的目的。󰀁󰀁航󰀁空󰀁学󰀁报第30卷

1󰀁CFF的定义及其优势

1󰀁1󰀁CFF的定义

多UAV的CFF是国外近年来提出的一种

新概念,其最早是针对空间飞行器(主要是卫星)

而提出,用于降低卫星的研制与发射成本,提高卫

星对地观测的覆盖率。所谓多UAV的CFF,就是将多架具有自主

功能的UAV按照一定的结构形式进行三维空间

排列,使其在飞行过程中保持稳定的队形,并能根据外部情况和任务需求进行动态调整,以体现整个机群的协同一致性。

1󰀁2󰀁CFF的优势

同单机飞行相比,CFF具有非常突出的优

势,主要表现在以下5个方面:

(1)在气动效率和结构强度方面,近距离CFF可有效增加处于跟随位置UAV的升/阻比

气动性能,获得减少其飞行阻力,节省燃油的效

果,如果有规律的更换不同位置上的多UAV,则

可使整个多UAV群的飞行距离得到延长。同时在这一过程中不会改变飞机自身所具有的强度和

重量[1]。

(2)在民用航空领域,若干小型客机如果实

现了紧密编队飞行,则雷达屏上会显示为一架超级大型客机的信息[2],这样不仅可省去开发超级

大型喷气式客机的高昂费用(成本核算还包括扩

大机场跑道和增加大型飞机辅助设施的费用),降低其可能存在的风险隐患,而且在很大程度上还

可提高小型客机运载方式的灵活性,延长其飞行

距离和使用寿命。

(3)在大地测量、气象观测、环境监测、资源勘探、森林防火、灭蝗救灾和人工降雨等民用方

面,基于CFF的多UAV群不仅具有宽广的搜

索和观察范围,而且能按统一的时间进度在各个空间区域获取信息,从而达到时间与空间的

高度统一。

(4)在军事侦察、目标打击、通信中继、电子

对抗、战场评估和骚扰诱惑等方面,CFF可以提高单次完成任务的效率。如在目标打击任务中,

CFF可使多UCAV(即攻击/战斗型UAV)同时

从不同角度对同一目标进行全方位攻击,扩大命中范围,提高杀伤力和命中率;也可以同时对多个

敌方目标实施攻击,扰乱敌防空体系,提高战斗的时效性[3];而在执行侦察任务时,通过调整侦察设备(如相机)在UAV上的工作角度,CFF可使多

UAV群在较短时间(相对于单架UAV执行相同任务所需时间)内完成对目标全方位立体拍照的

任务。

(5)基于CFF的多UAV群还可用于早期验证多航天器协同工作性能好坏的演示实验

中,如令单UAV具备某些航天设备的功能,然后进行多UAV配合工作的演示实验,对实验结

果进行评估,验证多航天器协同工作的实际应

用特性,并分析设计可行性方案,成功后再转移到航天飞行器上使用。该方法具有费用低、难

度小、便于实施与完善、易操作和研发周期短等特点[4]。

虽然多UAV的CFF方式具有以上诸多优势,但UAV毕竟不同于鸟类,采用近距CFF方

式时,并不能完全自主、智能地调整好自身姿态,

以利用最佳涡旋位置上产生的气动耦合关系,达到最大节省燃油的目的,其次,多UAV之间的信

息转换也难以做到精确无误,此类问题还需要科研人员去不断改进现有的设备和技术,以求早日

达到CFF控制的预期效果。

2󰀁CFF控制的几个关键性研究问题

多UAV的CFF时,首先必须具备单架UAV飞行所必须的飞行控制、传感器、信息融

合、机身与推进系统等技术,其次CFF的研究又涉及到空气动力、传感器、电子、计算机、控制、通

信及人工智能等多个学科和技术领域的交叉。因

此,多UAV的CFF是一个困难重重的研究课题。虽然各国技术人员在这方面已经取得了不

少成绩,但离实际的工程应用还有一段很长的距离。

目前,科研人员对多UAV的CFF的研究多

集中于以下几个关键性的技术问题。

2󰀁1󰀁紧密编队时多UAV间的气动影响

紧密编队飞行时,多UAV间的气动干扰将

直接影响并改变在队形中不同位置上的UAV所受到的力和力矩(见图1)。解决好这个问题,将

能够使这种气动干扰转换为有利于机群编队飞行的动力,即减少僚机UAV的飞行阻力,达到降低

其耗油量的效果。而这一思想最初是源于候鸟

的长途迁徙原理:一群由25只󰀂V 形编队飞行的候鸟,要比具有同样能量而单独飞行的候鸟684󰀁第4期樊琼剑等:多无人机协同编队飞行控制的研究现状󰀁

多飞70%的航程,也就是说,编队飞行的鸟能飞得更远。其原因是鸟向下扑打翅膀时,会在翼

尖部分附近产生一股上升的气流,每一只在编

队中间位置飞行的鸟利用邻近鸟所产生的这股上升流,来降低自身的体力消耗;同时,鸟在编

队飞行中位置的改变使得整个编队飞行的鸟都

能获得减少体力消耗的机会。因此,高效地利

用编队间的气动干扰,能够延长鸟群编队飞行的距离。

图1󰀁气动干扰对不同位置飞机状态的影响Fig󰀁1󰀁Effectofpneumaticdisturbanceondifferentpositionsofairplanestate在20世纪70年代,美国NASA研究中心进

行了大量编队飞行的风洞试验和飞行试验[5],验

证了不同情况下(如不同机间距离,不同飞机机型,不同编队飞机数目以及不同飞行速度等)的

编队飞行,将可能使气动干扰产生不同的影响

效果。

如在9m!18m(30ft!60ft)的全尺寸风洞

中,采用两架无垂尾三角翼UAV模型进行了双

机编队试验。试验结果表明:两机翼在横侧向无

重叠时的编队飞行中,阻力可减少15%,而当两

机翼在横侧向轻微重叠时,僚机阻力减少得更多,

同时可以获得较大的俯仰力矩和滚转力矩;当飞

机模型更换为1/10的F󰀂18C模型(见图2)时,结果显示阻力减少高达25%。随后,美国空军飞行

试验中心于2001年底进行了T󰀂38s的双机和三

机编队飞行试验(见图3)。从飞行空气动力学的

理论可以获知,三机编队要比双机编队在减少阻

力方面具有更好的气动效果,但实际飞行结果中

优势并不明显。

另外,美国空军理工学院的研究人员利用分

层管理代码HASC95进行了各种编队飞行速度

状态的仿真计算[6],结果显示在马赫数为0󰀁5时,

并考虑操纵面效应的情况下,双机编队中的僚机图2󰀁风洞试验中的F󰀂18C模型Fig󰀁2󰀁WindtunnelmodelsofF󰀂18C󰀁󰀁

图3󰀁T󰀂38s双机编队(A,B,C和D为两机之间不同的间距)Fig󰀁3󰀁FormationflightoftwoT󰀂38s(A,B,CandDdenotefourdifferentformationpositionsoftwoairplanesrespectively)

阻力减少15%,三机编队中最后一架飞机的阻力

减少18%。该结果比无尾三角翼UAV的双机编

队飞行的试验结果数据还小,即说明编队飞行的速度对减少阻力的效果具有一定的影响力。

2󰀁2󰀁CFF的队形设计

多UAV的CFF队形设计是整个编队飞行

任务中需要解决的重要问题之一。合理的队形设计,将能使处于前一架飞机翼尖涡流场中的

UAV,产生尽可能大的有效风速度,这将有利于

节省UAV飞行中的能量消耗,延长飞行距离,同

时还可增强飞行安全等功效。但是如何在计算量最小的条件下快速形成最佳队形结构,是队形设

计问题的关键所在。

美国R.O.Saber等[7]从编队队形快速定位

和队形稳定的角度考虑,提出了基于二维空间的虚拟长机和几何中心的编队结构(见图4),而日

本E.F.Yang等[8]将这种方法定位于三维空间,

计算量虽有所增加,但该方法的应用更接近于实际情况。从降低单架飞机的计算量角度考虑,有685