劉 洋1，陳雪峰2，田雪濤1

（1.西安愛生技術(shù)集團(tuán)公司，西安 710065；2.西安航空電子科技有限公司，西安 710065）

基于Agent的多無人機(jī)協(xié)同飛行通信技術(shù)研究

劉 洋1，陳雪峰2，田雪濤1

（1.西安愛生技術(shù)集團(tuán)公司，西安 710065；2.西安航空電子科技有限公司，西安 710065）

從Agent的兩大優(yōu)良特性－－自主性和協(xié)同性出發(fā)，研究了在多無人機(jī)協(xié)同飛行中，采用多Agent思想的協(xié)同飛行通信技術(shù)；根據(jù)多無人機(jī)協(xié)同飛行的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了多Agent協(xié)同飛行的通信協(xié)議，多Agent間傳遞的信息以及信息的分享模式，分析了MAS間信息傳遞過程；最后，通過實(shí)例介紹和分析MAS協(xié)調(diào)通訊的構(gòu)建形式，實(shí)現(xiàn)了多無人機(jī)協(xié)同目標(biāo)定位中的數(shù)據(jù)通信；實(shí)際飛行實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該通信機(jī)制能夠控制多架無人機(jī)同時(shí)飛行，提高了通信效率，驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。

無人機(jī)；多Agent系統(tǒng)；協(xié)同飛行；數(shù)據(jù)通訊

0 引言

Agent［1］即自治智能體，它的最大特點(diǎn)是自主性與協(xié)同性，將Agent技術(shù)用于多無人機(jī)［2-4］協(xié)同飛行，以滿足系統(tǒng)的自主性、信息分布性和響應(yīng)實(shí)時(shí)性的要求。多無人機(jī)協(xié)同A-gent體系，不僅將單個(gè)無人機(jī)看做是一個(gè)Agent，同時(shí)擴(kuò)展到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、機(jī)器或軟件中的一段程序，以此組建成了多A-gent系統(tǒng)MAS（Muliti－Agent Systems）；在MAS中，每個(gè)Agent只具有完成任務(wù)所需的不完整的任務(wù)或者能力，只能根據(jù)所具有的局部信息以及相互之間的通信來進(jìn)行決策。當(dāng)MAS組成編隊(duì)［5］飛行時(shí)，其編隊(duì)的決策可由地面協(xié)同決策A-gent與機(jī)上協(xié)同決策共同Agent完成。由于MAS中不同A-gent的不同職責(zé)，系統(tǒng)自然形成了編隊(duì)協(xié)調(diào)、航線生成、飛行控制層次分明的分層遞階結(jié)構(gòu)。本文將研究基于多Agent的無人機(jī)協(xié)同飛行通訊問題。

1 通信結(jié)構(gòu)及原理

由圖1可知，Agent屬于相同或不同的類型，它們?cè)谙到y(tǒng)結(jié)構(gòu)中擔(dān)任著不同的角色，它們間的協(xié)作必須考慮信息的存儲(chǔ)方式、共享方式和通信方式，所以體系結(jié)構(gòu)中必須有共同的通信協(xié)議和信息傳遞機(jī)制。

圖1 無人機(jī)協(xié)同Agent結(jié)構(gòu)

MAS間決策變量及影響決策的狀態(tài)向量是MAS通信的主要內(nèi)容，也是構(gòu)成MAS通信協(xié)議的元素。通信與編隊(duì)指揮構(gòu)型直接相關(guān)，由上述可控且可觀測的無人機(jī)間MAS指控的基本構(gòu)型，可組成實(shí)際飛行中的多無人機(jī)［6］間的編隊(duì)指控形式，如圖2所示。主要形式如下：

1）協(xié)同飛行時(shí)可將狀態(tài)數(shù)據(jù)匯集至地面控制站完成協(xié)同指控；

2）從每個(gè)群的成員中選取一架無人機(jī)作為該群的群主，群內(nèi)的協(xié)同指揮由群主實(shí)施，群內(nèi)的無人機(jī)之間可以進(jìn)行信息交互；

3）群主負(fù)責(zé)將群內(nèi)各無人機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)給地面控制站，地面站對(duì)群的指控都需經(jīng)群主完成，群主同時(shí)也轉(zhuǎn)發(fā)回協(xié)同目標(biāo)定位任務(wù)數(shù)據(jù)。

根據(jù)表1所列給出的最小交互信息約定，可以統(tǒng)計(jì)得到：無人機(jī)間單次傳遞協(xié)同信息不少于22字節(jié)，其中狀態(tài)參量不少于16字節(jié)，指令參量不少于6字節(jié)，此字節(jié)數(shù)中均不含冗余字節(jié)數(shù)和指令回報(bào)字節(jié)。

圖2 基于MAS的多無人機(jī)指控示意圖

表_1 協(xié)_同飛行中的信息約定

根據(jù)這一特性，定義MAS中，由地面控制站和群主機(jī)發(fā)出的指令參量數(shù)據(jù)流為遙控?cái)?shù)據(jù)，采用碼分方式對(duì)各MAS進(jìn)行協(xié)調(diào)。由各無人機(jī)發(fā)送的反映各自狀態(tài)參量的數(shù)據(jù)流為遙測數(shù)據(jù)，靠頻分的方式共享給其他MAS成員。

2 MAS信息分享設(shè)計(jì)

MAS中信息分享采用黑板模型結(jié)構(gòu)。黑板模型結(jié)構(gòu)的核心主要負(fù)責(zé)：對(duì)知識(shí)源進(jìn)行集中和分配，對(duì)黑板上的信息進(jìn)行更新，負(fù)責(zé)通知知識(shí)源讀取黑板上的信息。黑板模型具有層次性、內(nèi)在并行性等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)異構(gòu)知識(shí)源的集成，可以實(shí)現(xiàn)MAS指控的并發(fā)控制、交互控制和實(shí)時(shí)控制。

1）實(shí)時(shí)信息的分享：對(duì)本機(jī)MAS和他機(jī)MAS傳來的狀態(tài)及指令信息進(jìn)行分享。依照黑板模型，所有實(shí)時(shí)信息參數(shù)數(shù)據(jù)都以公共變量形式存儲(chǔ)，系統(tǒng)采用統(tǒng)一的時(shí)間20 ms周期中斷更新數(shù)據(jù)。各MAS調(diào)用所需數(shù)據(jù)均從公共變量中直接摘取，如圖3所示。

圖3 實(shí)時(shí)信息的傳遞

2）非實(shí)時(shí)信息的分享：非實(shí)時(shí)信息的內(nèi)容主要為GPS、北斗和無線電輔助導(dǎo)航的定位信息。非實(shí)時(shí)信息不存放于公共變量中，而存放于開辟的緩存中，并不斷由新信息推入，將老信息推出。接口程序不斷將接收到的GPS數(shù)據(jù)和北斗數(shù)據(jù)累積到緩存中，自主決策Agent讀取GPS或北斗數(shù)據(jù)，當(dāng)讀取指針追上寫指針時(shí)，觸發(fā)GPS或北斗定位故障判斷，判斷GPS或北斗的寫指針與上一周期中的寫指針是否發(fā)生了變化，若GPS寫指針持續(xù)20秒或北斗寫指針持續(xù)60秒未發(fā)生變化，自主決策Agent則判斷相應(yīng)的衛(wèi)星定位設(shè)備發(fā)生故障，切換到其它導(dǎo)航定位方式，將信息分享到黑板，非實(shí)時(shí)信息的分享流程如圖4所示。

圖4 非實(shí)時(shí)信息分享

3 MAS間信息傳遞過程

MAS中，管理Agent接收到遙測數(shù)據(jù)后，直接將原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并對(duì)各飛機(jī)狀態(tài)參數(shù)及相關(guān)任務(wù)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行解碼，并按機(jī)號(hào)編組為數(shù)據(jù)包后通過廣播模式發(fā)送到地面指控站的以太網(wǎng)上。各交互Agent可選擇單個(gè)或多個(gè)機(jī)號(hào)的無人機(jī)參數(shù)在相關(guān)的數(shù)據(jù)顯示設(shè)備查看。交互Agent通過各自的操縱臺(tái)控制器，選擇欲控制的無人機(jī)機(jī)號(hào)，按要求編碼通過以太網(wǎng)（或者串口）向管理Agent發(fā)送飛行控制指令、任務(wù)規(guī)劃指令等。管理Agent再將控制指令數(shù)據(jù)組幀通過串口發(fā)送給數(shù)據(jù)鏈，并由其轉(zhuǎn)發(fā)給機(jī)群內(nèi)各MAS。情報(bào)決策Agent也通過發(fā)布在以太網(wǎng)內(nèi)的遙測數(shù)據(jù)融合包收集并處理來自機(jī)上任務(wù)設(shè)備上的各參數(shù)，同時(shí)形成任務(wù)規(guī)劃決策，并通過協(xié)同決策Agent發(fā)送給交互Agent，隨即上傳到各無人機(jī)。群內(nèi)群主的協(xié)同決策Agent同時(shí)也能發(fā)出遙控指令，群成員協(xié)同決策Agent收到指令及需交互協(xié)同的其他無人機(jī)的狀態(tài)信息，交由自主決策Agent做自身動(dòng)作，完成協(xié)同任務(wù)，如圖5所示。

圖5 MAS的數(shù)據(jù)流向圖

4 MAS協(xié)調(diào)通訊實(shí)例

MAS中，某型多無人機(jī)系統(tǒng)將協(xié)同決策Agent和單機(jī)自主決策Agent編寫在機(jī)載計(jì)算機(jī)的導(dǎo)航程序中，以分層遞階的控制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)協(xié)同協(xié)調(diào)、航線生成、控制指令輸出的能力。同時(shí)，單機(jī)自主決策Agent自身也是分層遞階的Agent混合體，其組織級(jí)管理自主飛行與人工控制之間的模式切換與銜接，生成預(yù)裝訂任務(wù)航線的實(shí)時(shí)再規(guī)劃預(yù)案；其協(xié)調(diào)級(jí)對(duì)飛行狀態(tài)、導(dǎo)航設(shè)備狀態(tài)、動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)視與決策，并通過機(jī)載傳感器獲取飛機(jī)狀態(tài)和環(huán)境改變信息，向組織級(jí)提供實(shí)時(shí)再規(guī)劃與調(diào)整的策略；執(zhí)行層對(duì)可執(zhí)行的航線策略輸出飛機(jī)可執(zhí)行的控制指令，其控制指令包括對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的控制指令、導(dǎo)航控制指令、任務(wù)設(shè)備控制指令等。機(jī)上協(xié)同決策Agent可直接與自主決策Agent的組織級(jí)和協(xié)調(diào)級(jí)對(duì)話，完成協(xié)同決策任務(wù)。同樣，單機(jī)自主決策Agent也能與發(fā)動(dòng)機(jī)智能控制模塊同級(jí)之間對(duì)話，也可直接與對(duì)應(yīng)級(jí)的上級(jí)對(duì)話，確保發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)作執(zhí)行處于最優(yōu)先位置，從而保證飛行的基本安全。圖6所示為無人機(jī)Agent協(xié)調(diào)通訊圖。

圖6 無人機(jī)Agent協(xié)調(diào)通訊圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

結(jié)合XXX型多無人機(jī)系統(tǒng)，利用該MAS通信技術(shù)同時(shí)控制四架無人機(jī)，飛行實(shí)驗(yàn)為三次，最長單次飛行時(shí)間為10小時(shí)。在保證飛機(jī)基本安全的條件下，按照計(jì)劃順利地完成了作戰(zhàn)任務(wù)，同時(shí)驗(yàn)證了該多無人機(jī)協(xié)同飛行通信技術(shù)的可行性和有效性。

6 結(jié)論

本文介紹了基于Agent多無人機(jī)協(xié)調(diào)飛行中的通信技術(shù)，分析了多無人機(jī)協(xié)同飛行中的信息交互方式和信息量，設(shè)計(jì)了信息通信的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而設(shè)計(jì)了基于黑板模型結(jié)構(gòu)的MAS信息分享機(jī)制，保證了本機(jī)Agent信息的快速分享，在無人機(jī)間采用交互Agent進(jìn)行MAS間信息傳遞。最后結(jié)合某型多無人機(jī)系統(tǒng)介紹了MAS協(xié)調(diào)通訊構(gòu)建形式，實(shí)飛實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該通信機(jī)制能夠控制多架無人機(jī)同時(shí)飛行，提高了通信效率，驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。

［1］曹菊紅，高曉光.多架無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)智能指揮控制系統(tǒng)［J］.火力與指揮控制，2003，28（5）：22-24.

［2］吳漢平，等譯.無人機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論［M］.第2版.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

［3］沈林成，牛軼峰，朱華勇.多無人機(jī)自主協(xié)同控制理論與方法［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2013.

［4］陳 瑛，劉 麗，曾勇虎.美軍未來無人機(jī)系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)［J］.飛航導(dǎo)彈，2010（7）：33-37.

［5］樊瓊劍，楊 忠，方 挺，等.多無人機(jī)協(xié)同編隊(duì)飛行控制的研究現(xiàn)狀［J］.航空學(xué)報(bào)，2009，30（4）：683-691.

［6］胡 軍，張新建.多無人機(jī)測控系統(tǒng)研究［J］.現(xiàn)代電子，2000 （2）：9-13.

Research on Communication Technology of Multi－UAVs Coordinated Flight Based on Agent

Liu Yang1，Chen Xuefeng2，Tian Xuetao1

（1.Xi′an ASN Technology Group Co.，Ltd，Xi′an 710065，China；
2.Xi′an Avionics Technology Co.，Ltd，Xi′an 710065，China）

From two good qualities of the Agent－autonomy and collaborative，the coordination of multi－Agent thought flying communication technologies are researched in multi－UAV coordinated flight.Based on the characteristics of multi－UAV coordinated flight，the communication protocols of multi－Agent coordinated flight，information transmission between multi－Agent and information share model are designed.The process of information transmission between MASis analyzed.Finally，this paper introduces and analyzes building form of MAS coordination communication through an example，and the data communication for multi－UAV coordinated target position is realized.Actual flight experiment results show that the communication mechanism can control multi－UAV flying at the same time，improve the communication efficiency，proves the feasibility and validity of the method.

UAV；multi－agent system；coordinated flight；data communication

1671-4598（2016）08-0301-03

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.082

：TP182

：A

2016-03-30；

：2016-04-07。

國家自然科學(xué)基金（61074155）。

劉 洋（1980-），女，陜西乾縣人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事導(dǎo)航、制導(dǎo)與地面指揮控制方向的研究。