況 陽(yáng)，顧穎閩

(1.海軍裝備項(xiàng)目管理中心，北京 100071；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一六研究所，江蘇 連云港 222006)

0 引 言

人類武器裝備發(fā)展經(jīng)歷了冷兵器、熱兵器、機(jī)械化、信息化4 個(gè)階段。當(dāng)前世界正處于新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革中。人工智能技術(shù)、無(wú)人技術(shù)、新材料技術(shù)、生物技術(shù)和信息技術(shù)等交叉融合，無(wú)人化、智能化的裝備技術(shù)井噴式發(fā)展，武器裝備正逐步向智能化階段發(fā)展。無(wú)人裝備作為“機(jī)械化、信息化、智能化”融合一體的顛覆性新型裝備，具有作戰(zhàn)使用靈活、綜合作戰(zhàn)效益高、適用于危險(xiǎn)環(huán)境、人員傷亡率低、全壽命費(fèi)用低等顯著特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在軍事領(lǐng)域。

未來(lái)隨著無(wú)人裝備性能持續(xù)提升且大量列裝，無(wú)人作戰(zhàn)力量也將隨之快速增長(zhǎng)，作戰(zhàn)應(yīng)用的范圍與深度不斷拓展，對(duì)傳統(tǒng)的對(duì)抗形態(tài)、作戰(zhàn)方式、戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法和作戰(zhàn)理論帶來(lái)了一系列影響。對(duì)抗形態(tài)呈現(xiàn)出由對(duì)抗重心轉(zhuǎn)智能較量、對(duì)抗規(guī)模趨于小型可控、對(duì)抗空間拓入全域多維等特點(diǎn)；作戰(zhàn)方式出現(xiàn)“人機(jī)一體”的聯(lián)合模式、“無(wú)人先導(dǎo)”的進(jìn)攻模式、“持續(xù)打擊”的作戰(zhàn)形式等多種變革；戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法顯現(xiàn)出“干擾阻斷、反制捕獲”的控制戰(zhàn)、“混搭編組、整體協(xié)同”的集群戰(zhàn)；作戰(zhàn)理論催生了“母艦理論”、“蜂群理論”、“遙控作戰(zhàn)”、“前沿發(fā)動(dòng)”等新無(wú)人作戰(zhàn)理論，作戰(zhàn)運(yùn)用“集群化”，在單元層級(jí)上形成自主化的作戰(zhàn)集群與編隊(duì)，人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)和自主對(duì)抗的“智能化戰(zhàn)爭(zhēng)”成為可能。

當(dāng)前，水面無(wú)人艇以中小型規(guī)模并配合有人艦艇作戰(zhàn)行動(dòng)為主，為彌補(bǔ)中小型水面無(wú)人艇存在單艇載荷配置有限、任務(wù)能力偏弱、作戰(zhàn)樣式相對(duì)單一等不足，為適應(yīng)多樣的作戰(zhàn)任務(wù)，應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的海洋環(huán)境，水面無(wú)人艇通常以艇群方式或與有人艦艇協(xié)同方式進(jìn)行作戰(zhàn)，通過(guò)多艇聯(lián)合，能力互補(bǔ)，彌補(bǔ)單艇在高度動(dòng)態(tài)的水域中的能力不足，充分發(fā)揮水面無(wú)人艇艇群靈活部署快、監(jiān)控范圍廣、作戰(zhàn)組織靈活、抗毀重構(gòu)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。實(shí)現(xiàn)更高的作業(yè)效率和作業(yè)范圍，加強(qiáng)協(xié)同魯棒性和通信能力，適應(yīng)混合兵種、多種裝備和配合協(xié)調(diào)方面的需求，具備獨(dú)立完成復(fù)雜任務(wù)的能力。

1 美國(guó)水面無(wú)人艇艇群控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，世界上主要水面無(wú)人艇裝備研制國(guó)家都在開(kāi)展水面無(wú)人艇集群的研究，但目前只有美國(guó)具備軍事行動(dòng)驗(yàn)證的演示能力。近年來(lái)，美國(guó)海軍研究署牽頭成功完成了2 次海上試驗(yàn)驗(yàn)證。2014 年8 月，美國(guó)海軍研究署將13 艘水面無(wú)人艇組成編隊(duì)，利用“分散與自動(dòng)數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)”（簡(jiǎn)稱DADFS）和“機(jī)器人智能感知系統(tǒng)控制體系架構(gòu)”（簡(jiǎn)稱CARACaS）兩款軟件實(shí)現(xiàn)單艇接收任務(wù)指令后自主行為決策，成功發(fā)現(xiàn)模擬敵船并攔截。但本次試驗(yàn)中水面無(wú)人艇目標(biāo)識(shí)別、護(hù)航、攔截等任務(wù)仍需人工指令，水面無(wú)人艇群僅實(shí)現(xiàn)了半自主協(xié)同作戰(zhàn)。

DADFS 和CARACaS 兩款軟件是水面無(wú)人艇群實(shí)現(xiàn)信息共享、自主任務(wù)協(xié)調(diào)與分配的關(guān)鍵。

CARACaS 是美國(guó)海軍2004 年結(jié)合美國(guó)國(guó)家航空航天局對(duì)火星探測(cè)器的研發(fā)成果開(kāi)始研發(fā)的，具備高速避障及探測(cè)、多無(wú)人艇合作、探測(cè)數(shù)據(jù)融合和交互、艇上任務(wù)規(guī)劃等功能，由行為系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)計(jì)劃系統(tǒng)、感知系統(tǒng)3 部分構(gòu)成，如圖1 所示。行為系統(tǒng)基于R4SA（可靠實(shí)時(shí)可重構(gòu)機(jī)器人軟件架構(gòu)軟件）搭建，采用多智能體控制結(jié)構(gòu)，利用多目標(biāo)決策理論，實(shí)現(xiàn)多無(wú)人艇協(xié)同控制。動(dòng)態(tài)計(jì)劃系統(tǒng)基于CASPER（連續(xù)行為規(guī)劃計(jì)劃執(zhí)行和再計(jì)劃軟件）搭建，可根據(jù)任務(wù)內(nèi)容和水面無(wú)人艇當(dāng)前狀態(tài)，制定水面無(wú)人艇動(dòng)態(tài)行為計(jì)劃。感知系統(tǒng)則可繪制部署區(qū)域的環(huán)境感知圖像，作為安全導(dǎo)航的依據(jù)，可進(jìn)行威脅探測(cè)和態(tài)勢(shì)感知，并將信息發(fā)送至實(shí)際模型中。

圖 1 CARACaS 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Strcture diagram of “CARACaS” control system

DADFS 是實(shí)現(xiàn)多艇控制的關(guān)鍵因素，可同步各艇的狀態(tài)感知數(shù)據(jù)，并利用各艇上關(guān)聯(lián)的傳感器數(shù)據(jù)創(chuàng)建統(tǒng)一的態(tài)勢(shì)感知圖像，實(shí)現(xiàn)多艇感知數(shù)據(jù)的交互與融合。

此后，海軍研究署對(duì)CARACaS 進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)增加目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)庫(kù)和識(shí)別軟件，使水面無(wú)人艇具備目標(biāo)自主識(shí)別能力。利用多目標(biāo)決策理論構(gòu)建艇間行為協(xié)調(diào)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)協(xié)同決策。

2016 年10 月，美國(guó)海軍研究署再次開(kāi)展水面無(wú)人艇集群試驗(yàn)，在16 nm2海域內(nèi)，4 艘水面無(wú)人艇集群成功實(shí)現(xiàn)自主目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別、跟蹤、巡邏，整個(gè)控制回路無(wú)需人工參與，首次真正實(shí)現(xiàn)了集群作戰(zhàn)，如圖2 所示。

圖 2 多水面無(wú)人艇“蜂群”戰(zhàn)術(shù)Fig.2 Swarm tactics of multiple USV

2 基于幾何力學(xué)的水面無(wú)人艇艇群控制總體架構(gòu)與方法

2.1 水面無(wú)人艇艇群控制總體架構(gòu)與方法需解決的問(wèn)題

水面無(wú)人艇艇群內(nèi)各平臺(tái)的差異性較大，易受到通信能力、環(huán)境因素、無(wú)人平臺(tái)及其載荷能力特征等方面因素制約，控制方式包括指揮中心集中控制、有中心的艇群自主協(xié)同和無(wú)中心的艇群自主協(xié)同等水面無(wú)人艇艇群多種協(xié)同控制方法，需要研究建立適應(yīng)多種任務(wù)、環(huán)境、控制方法的水面無(wú)人艇艇群控制總體架構(gòu)。

該架構(gòu)重點(diǎn)需要解決以下幾方面問(wèn)題：1）因?yàn)榭傮w架構(gòu)是基礎(chǔ)，不能隨意替換，在框架模型選擇上需要具有一定前瞻性，考慮支持節(jié)點(diǎn)數(shù)量不少于百艘。2）考慮水面無(wú)人艇艇群運(yùn)行海洋環(huán)境、地理環(huán)境（障礙物）、通信環(huán)境、感知能力以及群內(nèi)節(jié)點(diǎn)變化與擾動(dòng)，使得集群控制必須能夠應(yīng)對(duì)各種不確定因素條件下既確保安全又行動(dòng)一致的柔性控制。3）艇群控制系統(tǒng)空間坐標(biāo)描述上，考慮因水面無(wú)人艇個(gè)體剛體運(yùn)動(dòng)變換快且擾動(dòng)性大的特征，對(duì)控制精度與實(shí)時(shí)性帶來(lái)較高要求，為解決大數(shù)量多自由度運(yùn)動(dòng)個(gè)體在空間實(shí)時(shí)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換所帶來(lái)的控制系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)復(fù)雜問(wèn)題，將控制系統(tǒng)解算坐標(biāo)系建立在剛體運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，盡可能避免坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。4）開(kāi)放性問(wèn)題，在框架設(shè)計(jì)中，既盡可能不額外增加單艇軟硬件需求成本，又能夠支持未來(lái)協(xié)同組織、任務(wù)規(guī)劃、隊(duì)形控制等不同先進(jìn)算法模型的集成。5）具備節(jié)點(diǎn)隨遇接入/退出的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)余度控制。6）充分考慮無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)延及不穩(wěn)定等條件下，艇群安全性控制。

2.2 基于幾何力學(xué)的水面無(wú)人艇艇群控制總體架構(gòu)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

針對(duì)架構(gòu)需要解決的幾方面問(wèn)題，本文采用基于幾何力學(xué)框架與最優(yōu)控制的方法為模型基礎(chǔ)構(gòu)建水面無(wú)人艇艇群總體架構(gòu)。由于幾何力學(xué)框架在非線性系統(tǒng)控制中具有無(wú)坐標(biāo)選取的奇異性、可利用對(duì)稱性進(jìn)行約化降維等優(yōu)勢(shì)，由其構(gòu)造的離散空間中的最優(yōu)化問(wèn)題能有效替代最優(yōu)控制的數(shù)值解，有效降低復(fù)雜剛體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)維度，解決了面向多節(jié)點(diǎn)、復(fù)雜不確定干擾環(huán)境的水面無(wú)人艇艇群復(fù)雜非線性系統(tǒng)控制問(wèn)題，為支持未來(lái)大批數(shù)、異構(gòu)水面無(wú)人艇艇群協(xié)同控制奠定基礎(chǔ)。目前，美國(guó)已經(jīng)在加州海域完成了基于該技術(shù)的水面無(wú)人艇群試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)研究方法概述

2.3.1 水面無(wú)人艇艇群控制總體架構(gòu)

構(gòu)建基于幾何力學(xué)的水面無(wú)人艇艇群控制總體架構(gòu)，主要方法如下：1）通過(guò)障礙物幾何化技術(shù)，將不規(guī)則障礙物描述成規(guī)則圖形。2）開(kāi)展艇群整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究，為減少通信容量限制，將艇群分解成若干較小的群簇，群簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)相互通信，每個(gè)簇選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為簇頭，艇群內(nèi)簇頭與簇頭相關(guān)通信（拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖3 所示），通過(guò)有向圖構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程描述群內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的相關(guān)關(guān)系、通信關(guān)系以及內(nèi)部安全機(jī)制等各種約束條件，形成艇群內(nèi)部固有約束屬性。約束屬性可通過(guò)人工設(shè)置、數(shù)據(jù)庫(kù)和智能學(xué)習(xí)的方式獲取。3）通過(guò)有向圖的方式，描述各水面無(wú)人艇自身的姿態(tài)與位置，以及各節(jié)點(diǎn)間相對(duì)位置姿態(tài)，并定義集群相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，并通過(guò)預(yù)先設(shè)置虛擬點(diǎn)的方式，完成節(jié)點(diǎn)隨機(jī)余度控制。從而為水面無(wú)人艇艇群構(gòu)建剛體運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)體系數(shù)據(jù)，并有效支持外部信息輸入，實(shí)現(xiàn)各單艇控制模塊、艇群任務(wù)決策模塊與艇群總體框架的數(shù)據(jù)訪問(wèn)接入。4）按照艇群幾何中心、通信能力、艇群感知能力等因素進(jìn)行綜合角色決策分配，選擇各個(gè)群頭。5）利用幾何力學(xué)Hamel 框架，將水面無(wú)人艇看成剛體，利用變分公式和Hamilton原理，建立水面無(wú)人艇單艇Hamel 運(yùn)動(dòng)方程，在模型中除考慮自身動(dòng)力以外，還需要綜合疊加考慮風(fēng)、浪、流等方面環(huán)境影響力，并完善建立風(fēng)、浪、流等環(huán)境影響力模型。6）利用幾何力學(xué)Hamel 框架，根據(jù)水面無(wú)人艇艇群網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程和艇群相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，結(jié)合單個(gè)體水面無(wú)人艇運(yùn)動(dòng)模型，利用基于改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)方法，構(gòu)造整個(gè)水面無(wú)人艇艇群運(yùn)動(dòng)模型，通過(guò)艇群網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、相對(duì)位置約束關(guān)系以及單艇運(yùn)動(dòng)模型形成水面無(wú)人艇艇群內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的動(dòng)能和勢(shì)能函數(shù)。

圖 3 水面無(wú)人艇艇群拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.3 Topological diagram of USV group

2.3.2 水面無(wú)人艇艇群路徑規(guī)劃技術(shù)

采用離散力學(xué)與最優(yōu)控制（DMOC）路徑規(guī)劃方法，在力學(xué)模型上利用離散變分原理得到易于計(jì)算的數(shù)值格式，用來(lái)規(guī)劃水面無(wú)人艇艇群的長(zhǎng)時(shí)間高精度的最優(yōu)路徑。區(qū)別于傳統(tǒng)方法之處在于通過(guò)離散變分原理直接得到離散方程，再將相應(yīng)的目標(biāo)泛函離散，從而得到以離散方程為約束的非線性規(guī)劃問(wèn)題，并用序列二次規(guī)劃（SQP）方法求解，這樣就可以用較小的計(jì)算代價(jià)來(lái)精確確定最優(yōu)控制和最優(yōu)軌跡。

基于DMOC 方法的水面無(wú)人艇艇群路徑規(guī)劃的本質(zhì)就是帶約束離散的非線性最優(yōu)控制問(wèn)題，即價(jià)值泛函最小并滿足邊界、運(yùn)動(dòng)等約束條件。局部動(dòng)態(tài)規(guī)劃主要表現(xiàn)為艇群位姿關(guān)系的變化，無(wú)空間坐標(biāo)變換。全局艇群規(guī)劃與局部艇群規(guī)劃之間關(guān)系為全局艇群規(guī)劃需要局部調(diào)整時(shí)啟動(dòng)局部動(dòng)態(tài)規(guī)劃。在艇群動(dòng)態(tài)規(guī)劃在現(xiàn)有邊界、運(yùn)動(dòng)等約束條件范圍能夠?qū)崿F(xiàn)位姿的調(diào)整，則只需要局部調(diào)整艇群的位姿關(guān)系，否則需重新全局規(guī)劃，再完成艇群的位姿控制。具體算法流程如圖4 所示。

圖 4 水面無(wú)人艇艇群路徑規(guī)劃算法流程圖Fig.4 Flow chart of path planning algorithm for USV group

2.3.3 水面無(wú)人艇艇群協(xié)同控制

水面無(wú)人艇艇群協(xié)同控制包括單個(gè)體軌跡控制，編隊(duì)保持控制和避障避撞控制的方法。艇群協(xié)同控制框架如圖5 所示。

圖 5 水面無(wú)人艇群協(xié)同控制框架示意圖Fig.5 Schematic diagram of cooperative control framework of USV group

1）軌跡控制

軌跡控制是指通過(guò)對(duì)艇群中個(gè)體施加控制力及控制力矩，將個(gè)體從偏離的軌跡拉回到已經(jīng)規(guī)劃好的路徑軌跡的過(guò)程。主要根據(jù)水面無(wú)人艇當(dāng)前實(shí)際位姿與目標(biāo)位姿的誤差，與其對(duì)應(yīng)的誤差速度，形成糾偏干擾力，對(duì)水面無(wú)人艇在單艇自身航行控制力影響，當(dāng)偏差量超過(guò)一定范圍，偏差量越大，干擾力越大。

2）隊(duì)形保持控制

在水面無(wú)人艇艇群控制總體架構(gòu)中相應(yīng)內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)力控制機(jī)制對(duì)水面無(wú)人艇艇群的有效控制，具備高精度的隊(duì)形保持控制能力，無(wú)需額外處理。針對(duì)通信時(shí)延的控制問(wèn)題采用滑窗控制機(jī)制，即一次發(fā)送一段（多組）軌跡控制點(diǎn)，根據(jù)通信更新頻率動(dòng)態(tài)更新。

3）避障避撞控制

與水面無(wú)人艇群避障避撞控制思路相似，均為超過(guò)一定閾值范圍，通過(guò)對(duì)水面無(wú)人艇施加回轉(zhuǎn)力進(jìn)行控制，只是力的控制系統(tǒng)不同，總體思路與單艇避障與避撞思路相似，在策略上通過(guò)對(duì)障礙物與艇群內(nèi)各艇相對(duì)姿態(tài)決策各群簇內(nèi)各艇威脅程度，將威脅度動(dòng)態(tài)分配簇頭，內(nèi)部通過(guò)勢(shì)場(chǎng)力對(duì)艇群有效控制，實(shí)現(xiàn)艇群整體避障。為了提高大規(guī)模艇群避障效率，通過(guò)對(duì)分簇簇頭進(jìn)行避障規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)高效避障能力。針對(duì)復(fù)雜情況下的避障和避碰問(wèn)題，采用艇群重構(gòu)模式，重新調(diào)整分簇實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文提出水面無(wú)人艇艇群系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展需求，分析基于幾何力學(xué)的水面無(wú)人艇艇群控制總體架構(gòu)與方法，為水面無(wú)人艇艇群協(xié)同控制技術(shù)研究提出一種新的思路，對(duì)相關(guān)技術(shù)研究和發(fā)展具有一定借鑒和參考意義。