陳　淼　王建宏　劉曉光

(信息系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　南京　210007)

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無(wú)人機(jī)編隊(duì)多分辨率指控建模分析*

陳淼王建宏劉曉光

(信息系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室南京210007)

摘要從功能角度對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行建模,分別描述了無(wú)人機(jī)編隊(duì)在高分辨率和低分辨率下模型功能及各功能模塊之間的信息交互關(guān)系。首先分析了無(wú)人機(jī)個(gè)體單元的組成結(jié)構(gòu),從體系結(jié)構(gòu)的角度分析了各功能模型,從控制論的角度分析了各組成結(jié)構(gòu)之間的信息交互關(guān)系。然后分析了編隊(duì)隊(duì)形保持算法,并分析了隊(duì)形控制信息交互處理流程。

關(guān)鍵詞無(wú)人機(jī)編隊(duì); 多分辨率; 指控; 建模; 信息交互

Class NumberTP393

1　引言

無(wú)人機(jī)編隊(duì)的指揮控制是近些年來研究的熱點(diǎn)問題,研究?jī)?nèi)容涉及飛行控制、航跡規(guī)劃、任務(wù)分配、決策制定、信息交互、任務(wù)下發(fā)等多個(gè)方面。無(wú)人機(jī)編隊(duì)是指多架規(guī)格相同或相似的無(wú)人機(jī)為了有效完成任務(wù),按照一定規(guī)則形成的隊(duì)形,是為適應(yīng)任務(wù)要求和任務(wù)分配而采用的多機(jī)飛行組織模式,包括隊(duì)形的形成、保持和變換,無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行可以擴(kuò)大偵察視野及打擊范圍,提高作戰(zhàn)效能[1]。

建模是對(duì)實(shí)際研究對(duì)象(裝備/系統(tǒng)/體系)抽象的描述,描述方式通常包括數(shù)學(xué)、物理或邏輯等。建模是仿真的基礎(chǔ),是在對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行研究時(shí)以模型代替實(shí)際研究對(duì)象,以達(dá)到節(jié)省資源成本及安全高效的目的。早期的建模其研究對(duì)象主要為具體的實(shí)體裝備,如無(wú)人機(jī),對(duì)實(shí)體裝備的建模研究較多運(yùn)用微分方程描述物體的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)過程,這種用數(shù)學(xué)或物理的方法構(gòu)建的模型最大的優(yōu)點(diǎn)是直觀、易于理解,但從功能的角度來講,裝備的諸多功能,如火控、綜合航電、操縱系統(tǒng)、任務(wù)規(guī)劃以及與其他戰(zhàn)斗單元之間的協(xié)同作戰(zhàn)、信息交互等,難以完全用微分方程描述。而且伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)的較快發(fā)展,戰(zhàn)場(chǎng)上雙方的對(duì)抗呈明顯的體系化特征,不再僅僅局限于裝備平臺(tái)的能力或具體哪幾方面的指標(biāo),而更多的是各裝備平臺(tái)在共同的作戰(zhàn)任務(wù)框架下,通過協(xié)同協(xié)作,構(gòu)成強(qiáng)大的作戰(zhàn)體系,其復(fù)雜性體現(xiàn)在體系邊界的模糊性、環(huán)境的不確定性及整體架構(gòu)的涌現(xiàn)性和對(duì)抗性等[2]。因此,在這樣的背景下,傳統(tǒng)的用微分方程建立的動(dòng)力學(xué)模型無(wú)法有效描述裝備作戰(zhàn)單元內(nèi)部各功能模塊之間的信息交互關(guān)系以及作戰(zhàn)單元之間的信息交互與指揮控制關(guān)系。

2　問題描述

無(wú)人機(jī)編隊(duì)是一個(gè)由多個(gè)無(wú)人機(jī)單元組成的系統(tǒng),從指揮控制的角度講,更關(guān)注編隊(duì)整體的作戰(zhàn)效能,即由多架無(wú)人機(jī)協(xié)同呈現(xiàn)出的體系的涌現(xiàn)性。那么在這種情況下,將每架無(wú)人機(jī)單元看作是不可再分的描述對(duì)象,分析編隊(duì)內(nèi)部各單元之間的信息交互關(guān)系,從實(shí)體行為的角度描述無(wú)人機(jī)單元。若需要分析無(wú)人機(jī)單元的運(yùn)動(dòng)機(jī)理以及任務(wù)規(guī)劃、指控等問題時(shí),再將無(wú)人機(jī)單元看作不可再分的整體顯然無(wú)法滿足需要,需要從功能實(shí)現(xiàn)的角度詳細(xì)分析無(wú)人機(jī)各功能模型,以及各功能模型之間的信息交互,從而理解無(wú)人機(jī)工作原理,構(gòu)建無(wú)人機(jī)單元個(gè)體的詳細(xì)模型。以上描述即多分辨率建模問題[4～5]。

無(wú)人機(jī)編隊(duì)由多個(gè)個(gè)體單元組成,根據(jù)不同的規(guī)劃,執(zhí)行任務(wù)的形式也不同,有的個(gè)體單元是以個(gè)體的形式單獨(dú)執(zhí)行任務(wù),有的則要以編隊(duì)成員的形式共同參與任務(wù)。另一方面,對(duì)于具體的個(gè)體單元,有些任務(wù)時(shí)刻是單獨(dú)執(zhí)行任務(wù),有些任務(wù)時(shí)刻是以參與編隊(duì)形式執(zhí)行任務(wù)。因此,傳統(tǒng)的單一分辨率建模方式難以靈活描述編隊(duì)模型[5],需要根據(jù)編隊(duì)狀態(tài)的變化,運(yùn)用多分辨率建模思想,準(zhǔn)確清晰地描述。

本文以無(wú)人機(jī)編隊(duì)為研究對(duì)象,從多角度研究無(wú)人機(jī)個(gè)體單元及編隊(duì)整體建模描述及彼此之間信息交互關(guān)系、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制等信息。

3　無(wú)人機(jī)編隊(duì)多分辨率建模分析

圖1　無(wú)人機(jī)功能模型

關(guān)于無(wú)人機(jī)模型,自無(wú)人機(jī)問世以來這幾十年,已有相當(dāng)豐富的研究成果。但大多數(shù)成果都聚焦于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型以及相應(yīng)的飛行控制方面的研究[6～10]。但從指控的角度來講,更需要從功能實(shí)現(xiàn)的角度來分析無(wú)人機(jī)模型,按照多分辨率思想,將無(wú)人機(jī)按層級(jí)劃分成若干個(gè)功能模塊,如圖1所示。

圖中,將無(wú)人機(jī)按功能分為機(jī)械系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、任務(wù)/武器系統(tǒng)、信號(hào)傳輸系統(tǒng)、測(cè)量反饋系統(tǒng)及指控系統(tǒng)幾個(gè)功能模塊。

首先,飛機(jī)是由若干機(jī)械零部件構(gòu)成,通過組裝成為一個(gè)整體,構(gòu)成了整架飛機(jī)的機(jī)械系統(tǒng),通俗講也可稱為飛機(jī)外殼。但是,這個(gè)外殼是靜止的,無(wú)法運(yùn)動(dòng)的,就像一臺(tái)沒安裝任何軟件系統(tǒng)的計(jì)算機(jī),沒有任何使用價(jià)值。那么,讓飛機(jī)運(yùn)動(dòng)起來,就應(yīng)當(dāng)有相應(yīng)的動(dòng)力系統(tǒng),如發(fā)動(dòng)機(jī)、舵機(jī)等,驅(qū)動(dòng)飛機(jī)完成滑跑、爬升、平飛、轉(zhuǎn)彎、降落等運(yùn)動(dòng)模式。其次,動(dòng)力系統(tǒng)的啟動(dòng)與執(zhí)行各類動(dòng)作,如發(fā)動(dòng)機(jī)推力的增減、舵面的擺等,需要電氣系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)。在此基礎(chǔ)上,可設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)來控制飛機(jī)的精確運(yùn)動(dòng),達(dá)到對(duì)控制指令(如高度、速度、航向等)穩(wěn)、快、準(zhǔn)地跟蹤。然后,便可執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù),即設(shè)計(jì)任務(wù)規(guī)劃/武器管理系統(tǒng),對(duì)任務(wù)的執(zhí)行情況進(jìn)行管理,由此便構(gòu)成了單個(gè)UAV的指控系統(tǒng)功能模型。以上各系統(tǒng)之間通過信號(hào)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行信息的傳遞與交互,指控系統(tǒng)通過信號(hào)傳輸系統(tǒng)將指令發(fā)送相應(yīng)的功能模塊,同時(shí),各功能模塊又將自身的運(yùn)行狀況通過測(cè)量反饋系統(tǒng)傳輸給指控系統(tǒng)。這樣,就構(gòu)成了裝備級(jí)系統(tǒng)(體系)結(jié)構(gòu),如圖2所示。

圖2　無(wú)人機(jī)多分辨率體系架構(gòu)

圖2從體系結(jié)構(gòu)的角度分析了無(wú)人機(jī)的功能模型。按功能實(shí)現(xiàn),將無(wú)人機(jī)模型分為支撐層、執(zhí)行層和指控層三個(gè)層級(jí),這實(shí)際上也是多分辨率建模思想。支撐層包含了實(shí)現(xiàn)飛機(jī)正常飛行所需的功能模塊,使飛機(jī)就可以進(jìn)行常規(guī)的機(jī)動(dòng)飛行。執(zhí)行層主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的任務(wù)指令的接收、解算、下達(dá),以及武器裝備的使用等,指控層負(fù)責(zé)決策制定、任務(wù)規(guī)劃及分發(fā)。這三個(gè)層級(jí)構(gòu)成了飛機(jī)的多分辨率指控功能模型,飛機(jī)執(zhí)行任務(wù)也正是靠著這個(gè)架構(gòu)去實(shí)現(xiàn)。那么在執(zhí)行任務(wù)過程中,信息的交互也是時(shí)刻在進(jìn)行著,各模塊之間通過信號(hào)傳輸進(jìn)行信息的交互,通過信息的交互保障任務(wù)順利進(jìn)行。各功能模型(模塊)之間的信息交互關(guān)系如圖3所示。

圖3　功能模型信息交互關(guān)系

圖3所示的系統(tǒng)信息交互關(guān)系與控制論中的控制回路比較相似,控制指令與測(cè)量反饋的實(shí)際輸出量的偏差量通過控制器解算后成為驅(qū)動(dòng)指令,驅(qū)動(dòng)被控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng),以求被控系統(tǒng)最終的輸出對(duì)控制指令的跟蹤能夠符合“穩(wěn)、快、準(zhǔn)”的要求,即系統(tǒng)在外部激勵(lì)的作用下,暫態(tài)響應(yīng)過程要平穩(wěn),不能出現(xiàn)振蕩發(fā)散現(xiàn)象;系統(tǒng)輸出的調(diào)節(jié)時(shí)間要盡可能短;系統(tǒng)輸出對(duì)外部激勵(lì)的跟蹤誤差要盡可能小。那么,為達(dá)到上述要求,各功能模型之間需不斷進(jìn)行相應(yīng)的信息交互,支撐層各功能模型通過測(cè)量反饋系統(tǒng)向指控層報(bào)告當(dāng)前狀態(tài),機(jī)械系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)屬硬件設(shè)施,主要向指控層報(bào)告自身的工作狀態(tài),如發(fā)動(dòng)機(jī)推力狀況、全機(jī)電纜(光纜)連通狀況,是否出現(xiàn)機(jī)故障等;控制系統(tǒng)屬軟件設(shè)施,主要向指控層報(bào)告飛機(jī)當(dāng)前的飛行參數(shù),如高度、速度、位置、姿態(tài)、航向等;任務(wù)/武器系統(tǒng)上報(bào)當(dāng)前任務(wù)完成情況及武器使用情況。反過來,指控層的指令可以逐級(jí)下發(fā),也可以越級(jí)下發(fā),逐級(jí)下發(fā)可減輕指控系統(tǒng)的計(jì)算量,將任務(wù)識(shí)別的功能交給任務(wù)系統(tǒng),但這樣也使得信息計(jì)算量和交互量增加,越級(jí)下發(fā)可減輕信息計(jì)算量和交互量,如飛行控制類指令,可直接下發(fā)給控制系統(tǒng),控制飛機(jī)按指令飛行。

4　無(wú)人機(jī)編隊(duì)指控模型分析

無(wú)人機(jī)編隊(duì)控制結(jié)構(gòu)主要有集中式、分散式和分層混合式三種。三種控制結(jié)構(gòu)均是通過各成員之間的信息交互實(shí)現(xiàn)隊(duì)形的形成、保持與變換。以集中式控制結(jié)構(gòu)為例,分析編隊(duì)指控過程信息交互關(guān)系。集中式即長(zhǎng)僚機(jī)模式,編隊(duì)中,先確定其中某個(gè)成員為長(zhǎng)機(jī)(Leader),其余均為僚機(jī)(Follower)[8,10]。為實(shí)現(xiàn)編隊(duì)飛行及任務(wù)的執(zhí)行,長(zhǎng)機(jī)與僚機(jī)之間需進(jìn)行信息交互,如圖4所示。

圖4　長(zhǎng)機(jī)與僚機(jī)之間信息交互關(guān)系

從多分辨率角度來講,圖4描述的指控模型分辨率要低于前述模型的分辨率,圖中把每架飛機(jī)個(gè)體看作一個(gè)整體模型,描述各飛機(jī)之間的信息交互,而不是每架飛機(jī)內(nèi)部各功能模塊之間的信息交互。首先,編隊(duì)在巡航中應(yīng)保持一定的隊(duì)形,那么長(zhǎng)機(jī)與僚機(jī)之間應(yīng)實(shí)時(shí)交互位置、高度、速度、航向等信息。從飛行控制角度來講,長(zhǎng)機(jī)應(yīng)將自身的飛行參數(shù),包括位置、高度、速度、航向等,發(fā)給僚機(jī),僚機(jī)根據(jù)隊(duì)形及編隊(duì)規(guī)則,確定自身當(dāng)前的飛行參數(shù),與實(shí)際飛行參數(shù)對(duì)比,修正飛行航跡,也需將自身飛行參數(shù)發(fā)送給長(zhǎng)機(jī),便于長(zhǎng)機(jī)下達(dá)修正指令,一般來講,飛行參數(shù)的交互頻率通常在秒級(jí)。然后,在編隊(duì)隊(duì)形保持的前提下,長(zhǎng)機(jī)與僚機(jī)之間交互任務(wù)消息,僚機(jī)的任務(wù)指令由長(zhǎng)機(jī)下達(dá),接到任務(wù)指令后需向長(zhǎng)機(jī)發(fā)送應(yīng)答消息,如自身出現(xiàn)非正常狀況,如發(fā)現(xiàn)敵情、機(jī)械故障等,可主動(dòng)向長(zhǎng)機(jī)發(fā)送任務(wù)執(zhí)行申請(qǐng)消息,長(zhǎng)機(jī)接收后做出決策,發(fā)送申請(qǐng)批復(fù)消息。另外,需要注意的是,一旦長(zhǎng)機(jī)與僚機(jī)編隊(duì)解除,那么,編隊(duì)聚合模型也解聚為每架飛機(jī)個(gè)體的模型。

4.1無(wú)人機(jī)編隊(duì)隊(duì)形相對(duì)運(yùn)動(dòng)分析

前文講述過,各飛機(jī)個(gè)體單元之間的信息交互中,控制信息屬最低層的交互信息,也是保持編隊(duì)飛行的基本條件。下面以長(zhǎng)機(jī)-僚機(jī)雙機(jī)編隊(duì)為例,研究無(wú)人機(jī)編隊(duì)過程中控制信息的交互關(guān)系。長(zhǎng)機(jī)與僚機(jī)在地球慣性系下的運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)如圖5所示。

圖5　雙機(jī)編隊(duì)運(yùn)動(dòng)平面示意圖

圖中,vl和vf分別為長(zhǎng)機(jī)和僚機(jī)的速度,φl(shuí)和φf為航向,d為雙機(jī)實(shí)時(shí)距離,x和y分別為雙機(jī)平等于航向距離及垂直于航向的距離。由圖中可看出,編隊(duì)飛行保持隊(duì)形完整,平等航向距離x及垂直航向距離y應(yīng)當(dāng)保持一致。則雙機(jī)的速度矢量應(yīng)保持一致,包括速度大小和航向。經(jīng)上述分析,得出雙機(jī)平面位置變化關(guān)系,即運(yùn)動(dòng)方程為

(1)

進(jìn)一步分析雙機(jī)平等航向距離和垂直航向距離的關(guān)系為

(2)

兩式整理可得

(3)

4.2無(wú)人機(jī)編隊(duì)信息交互分析

圖6　雙機(jī)個(gè)體單元控制層面信息交互

圖7　信息交互處理流程

圖6從飛行控制的角度分析了長(zhǎng)機(jī)與僚機(jī)個(gè)體單元之間的信息交互過程及雙機(jī)編隊(duì)飛行控制原理。首先由長(zhǎng)機(jī)將控制層信息發(fā)送給僚機(jī),僚機(jī)接收控制信息后,根據(jù)式(3)控制算法,生成驅(qū)動(dòng)指令,驅(qū)動(dòng)飛機(jī)運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)指令一般指電氣信號(hào),驅(qū)動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng),如油門舵機(jī)、氣流舵面(升降舵、方向舵、副翼舵等)舵機(jī)等,實(shí)現(xiàn)飛機(jī)六自由度運(yùn)動(dòng)。另一方面,僚機(jī)將自身的飛行控制信息傳遞給長(zhǎng)機(jī),與長(zhǎng)機(jī)發(fā)出的控制信息進(jìn)行對(duì)比,再運(yùn)動(dòng)控制論方法設(shè)計(jì)控制律,使僚機(jī)按控制指令飛行,以保持編隊(duì)隊(duì)形。無(wú)人機(jī)飛行處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài),位置不斷變化,因此,指控模型之間的信息交互也要通過數(shù)據(jù)信息鏈保持實(shí)時(shí)交互[11]。信息交互處理流程如圖7所示。

圖中從軟件處理流程的角度描述了編隊(duì)個(gè)體成員之間的信息交互模型。該模型把個(gè)體單元當(dāng)作一個(gè)獨(dú)立的模型,其分辨率低,圖3中描述的個(gè)體單元內(nèi)部信息傳輸模型。

5　結(jié)語(yǔ)

本文以無(wú)人機(jī)編隊(duì)為研究背景,以多分辨率指控過程中信息交互關(guān)系為研究對(duì)象,從多角度詳細(xì)分析了無(wú)人機(jī)個(gè)體單元組成結(jié)構(gòu),不同功能結(jié)構(gòu)模型之間的信息交互關(guān)系;分析了編隊(duì)隊(duì)形控制方法,個(gè)體單元之間的信息交互關(guān)系,模型之間信息交互處理流程,以及各分辨率模型描述信息等,為戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)推演構(gòu)建了一定基礎(chǔ)。在今后的研究中,還是需進(jìn)一步細(xì)化,將裝備級(jí)模型機(jī)理細(xì)化到邏輯描述能夠建立良好的銜接,使得頂層邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和底層物理學(xué)模型能夠結(jié)合得更為緊密。

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收稿日期:2015年10月3日,修回日期:2015年11月26日

作者簡(jiǎn)介:陳淼,男,工程師,研究方向:復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真與效能評(píng)估。王建宏,男,博士后,副教授,研究方向:系統(tǒng)辨識(shí)。劉曉光,男,高級(jí)工程師,研究方向:指控系統(tǒng)仿真。

中圖分類號(hào)TP393

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.04.010

Analysis on Multi-resolution Command and Control Model for Unmanned Aerial Vehicle Formation

CHEN MiaoWANG JianhongLIU Xiaoguang

(Science and Technology on Information Systems Engineering Laboratory, Nanjing210007)

AbstractThe problem of formation modeling for unmanned aerial vehicle is studied in this paper. The information included in formation model with higher revolution and lower revolution are separately described, and the information interaction between function models are also separately described. Firstly, the framework of UAV unit are analyzed, and every function model and the information interaction between each other are analyzed within system architecture as well. Then, the algorithm for keeping formation in order designed above is analyzed. Furthermore, the information interaction for keeping formation in order is also analyzed.

Key Wordsunmanned aerial vehicle formation, multi-resolution, command and control, model, information interaction