賈宜霖，岳 訓(xùn)

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，泰安 271018）

1 引 言

無(wú)人機(jī)集群（Unmanned Aerial Vehicles，UAV）以單平臺(tái)和信息協(xié)同交互體系為支撐，根據(jù)外部加載任務(wù)需求和感知環(huán)境，自主進(jìn)行編隊(duì)形成（聚合）和協(xié)同任務(wù)分配（解體）[1]。近年來(lái)，隨著新興數(shù)字化信息技術(shù)（智能芯片、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能等領(lǐng)域）之間的深度融合，無(wú)人機(jī)裝備相關(guān)的平臺(tái)技術(shù)、傳感器技術(shù)、指揮控制技術(shù)等均有較大進(jìn)展，各種新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)力儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)步極大地提高了無(wú)人機(jī)效率[2-3]。眾所周知，無(wú)人機(jī)集群之間控制命令和數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)，決定無(wú)人機(jī)自身的感知定位與無(wú)人機(jī)集群之間協(xié)同信息通信可靠性。目前大規(guī)模、遠(yuǎn)航程的無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)普遍采用慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、多普勒導(dǎo)航、地形輔助導(dǎo)航以及地磁導(dǎo)航等技術(shù)進(jìn)行編隊(duì)協(xié)同導(dǎo)航定位；短距離的集群編隊(duì)多采用基于Wi-Fi 傳感器技術(shù)。由于無(wú)人機(jī)嵌入式微處理器性能、通信帶寬和通信時(shí)延的技術(shù)缺陷，目前實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域的無(wú)人機(jī)集群存在通信資源限制造成的集群規(guī)模受限瓶頸[4]。

新一代5G移動(dòng)通信技術(shù)具有超高速率（峰值速率大于每秒20 GB，相當(dāng)于4G的20倍）、低時(shí)延（網(wǎng)絡(luò)時(shí)延從4G的50 ms縮減到1 ms）和低功耗等特點(diǎn)[5]，為解決目前無(wú)人機(jī)系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用的集群規(guī)模受限問(wèn)題帶來(lái)技術(shù)突破機(jī)遇。一方面，5G技術(shù)能最大限度為無(wú)人機(jī)集群提供高速率的智能化數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)和超可靠的低延遲通信；另一方面，5G技術(shù)通過(guò)云服務(wù)的接口和工具訪(fǎng)問(wèn)并管理第三方的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，可實(shí)現(xiàn)集群編隊(duì)智能服務(wù)，保障了大規(guī)模集群節(jié)點(diǎn)之間的近實(shí)時(shí)信息交換能力[6-7]。無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)控制技術(shù)與新一代5G移動(dòng)通信技術(shù)融合分為以下三個(gè)范式[8-10]：

(1) UAV可以智能地定位為飛行基站、中繼站或定位錨，滿(mǎn)足5G系統(tǒng)中無(wú)人機(jī)集群動(dòng)態(tài)和不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)需求。

(2) 空中飛行的UAV通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)5G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)地面基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)UAV集群之間通信。

(3) 無(wú)人機(jī)集群彼此之間與地面用戶(hù)共享蜂窩頻譜直接通信。

目前，視覺(jué)銳化、極致體驗(yàn)、云端一體、現(xiàn)場(chǎng)增強(qiáng)的新一代傳媒娛樂(lè)，將是民用商業(yè)市場(chǎng)創(chuàng)業(yè)和投資的焦點(diǎn)（如圖1）。本文面向低空空域（500 m以?xún)?nèi)）飛行需求，借助無(wú)人機(jī)集群與5G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合潛力，在信號(hào)強(qiáng)度和覆蓋范圍上可保證有限通信信道帶寬內(nèi)連續(xù)交換信息的理想狀態(tài)。探析引領(lǐng)式空中漢字展示無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)形成（聚合）和協(xié)同任務(wù)分配（解體）的全局系統(tǒng)演化過(guò)程，實(shí)現(xiàn)256單元的引領(lǐng)式16 × 16點(diǎn)陣空中漢字的動(dòng)態(tài)展示無(wú)人機(jī)集群仿真。

圖1 2020年6月15日晚，第127屆廣交會(huì)500架無(wú)人機(jī)編隊(duì)展示圖案Fig.1 Air display of 500 UAVs in 2020.6.15

2 引領(lǐng)式空中漢字展示無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)控制模型

如何將具有自主能力的256無(wú)人機(jī)單元在空間形成特定的16 × 16點(diǎn)陣層次正方塊穩(wěn)定隊(duì)形，同時(shí)又能根據(jù)外部情況和任務(wù)需求實(shí)時(shí)進(jìn)行隊(duì)形動(dòng)態(tài)調(diào)整，是引領(lǐng)式空中漢字展示無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)控制設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵性問(wèn)題。目前無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)飛行隊(duì)形控制技術(shù)有虛擬結(jié)構(gòu)法、人工勢(shì)場(chǎng)法、領(lǐng)導(dǎo)–跟隨法、基于行為法和一致性等編隊(duì)控制方法[11]。其中，以領(lǐng)導(dǎo)–跟隨法為代表的引領(lǐng)式無(wú)人機(jī)集群系統(tǒng)，憑借成熟的集群控制算法、通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、編隊(duì)控制技術(shù)已廣泛應(yīng)用[12]。引領(lǐng)式無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)將首先對(duì)集群編隊(duì)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)隊(duì)形進(jìn)行層級(jí)劃分，然后在集群編隊(duì)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中選擇領(lǐng)導(dǎo)者；通過(guò)領(lǐng)導(dǎo)者與跟隨者之間的信號(hào)反饋，獲得領(lǐng)導(dǎo)者與跟隨者之間的距離和相對(duì)方位信息，對(duì)隊(duì)形進(jìn)行建模并定義保持編隊(duì)行為控制策略。但是，由于引領(lǐng)式智能體集群控制通常采用微分方程動(dòng)力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的集群控制策略，面對(duì)智能體集群規(guī)模和復(fù)雜多變的智能體集群外部環(huán)境，迫切需要由簡(jiǎn)單規(guī)則生成復(fù)雜行為的智能體集群通用模型控制策略。

2.1 引領(lǐng)式空中漢字展示無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)聚合和解體的全局系統(tǒng)演化

2.1.1 引領(lǐng)式空中漢字展示無(wú)人機(jī)集群空間組織的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有序性

引領(lǐng)式空中漢字展示無(wú)人機(jī)集群在內(nèi)部縱向維度，遵循分層、分類(lèi)、分節(jié)的層級(jí)引領(lǐng)式拓?fù)浣换ソY(jié)構(gòu)。每個(gè)層次的無(wú)人機(jī)單元可以有自己獨(dú)特的概念、特征和法則。

2.1.2 引領(lǐng)式空中漢字展示無(wú)人機(jī)集群內(nèi)部控制信息流動(dòng)的有序性

在引領(lǐng)式空中漢字展示無(wú)人機(jī)集群內(nèi)部層級(jí)引領(lǐng)式拓?fù)浣换ソY(jié)構(gòu)，存在兩種集群控制信息流動(dòng)路徑或運(yùn)動(dòng)方式。一是“自上而下”的正態(tài)路徑信息，解釋為高層級(jí)引領(lǐng)式的中心節(jié)點(diǎn)，通過(guò)個(gè)體感知作業(yè)環(huán)境以及外部任務(wù)載荷指揮控制平臺(tái)，“自上而下”地整體約束、驅(qū)動(dòng)底層無(wú)人機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，決定引領(lǐng)式空中漢字展示無(wú)人機(jī)集群外在表現(xiàn)的聚集過(guò)程。二是“自下而上”的逆態(tài)路徑信息，意為在具有多模態(tài)感知功能的單個(gè)無(wú)人機(jī)感知周?chē)鷳B(tài)勢(shì)環(huán)境后，將“自下而上”反饋到引領(lǐng)式空中漢字展示無(wú)人機(jī)集群相鄰的上層結(jié)構(gòu)無(wú)人機(jī)單元。

2.1.3 引領(lǐng)式空中漢字展示無(wú)人機(jī)集群經(jīng)歷編隊(duì)形成（聚合）和任務(wù)分配（解體）的全局系統(tǒng)演化周期

引領(lǐng)式空中漢字展示無(wú)人機(jī)集群內(nèi)部“自上而下”的正態(tài)和“自下而上”逆態(tài)流動(dòng)之間的動(dòng)態(tài)平衡和有序博弈，是一個(gè)相互依存、互為根基的辯證關(guān)系。一是“自上而下”正態(tài)和“自下而上”逆態(tài)雙向調(diào)控是具有主導(dǎo)結(jié)構(gòu)、不平衡的對(duì)立統(tǒng)一體，即對(duì)立雙方的地位是不均等的，其中必有一方占據(jù)主導(dǎo)地位，另一方處于從屬地位。二是雙方在一定條件下相互轉(zhuǎn)化，經(jīng)過(guò)雙方的平衡態(tài)，主導(dǎo)地位可以轉(zhuǎn)化成從屬地位，從屬地位在一定條件下亦有可能占據(jù)主導(dǎo)地位。三是正態(tài)和逆態(tài)兩種調(diào)控方向的有序博弈，驅(qū)動(dòng)著引領(lǐng)式空中漢字展示無(wú)人機(jī)集群控制信息流動(dòng)時(shí)序態(tài)勢(shì)的演化順序和規(guī)則，決定了無(wú)人機(jī)集群協(xié)同行為和集群穩(wěn)定性。

引領(lǐng)式空中漢字展示無(wú)人機(jī)集群經(jīng)歷編隊(duì)形成（聚合）、集群編隊(duì)優(yōu)化（調(diào)整優(yōu)化）和集群編隊(duì)解體（任務(wù)分配）的有界時(shí)空演化周期詳細(xì)闡述如下。

階段1：無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)形成（聚合）

【引領(lǐng)式空中漢字展示無(wú)人機(jī)集群的初始態(tài)】：一定規(guī)模、松散的單個(gè)自主無(wú)人機(jī)存在于可控范圍的有界時(shí)間和空間中。

【正態(tài)路徑信息開(kāi)始增益，無(wú)逆態(tài)路徑信息】：處于主導(dǎo)地位的中心節(jié)點(diǎn)無(wú)人機(jī)，通過(guò)個(gè)體感知作業(yè)環(huán)境以及外部任務(wù)載荷指揮控制平臺(tái)，采用基于數(shù)據(jù)鏈的信息共享全局式信息交互，逐步分批“自上而下”地整體約束、驅(qū)動(dòng)下層無(wú)人機(jī)，開(kāi)始引領(lǐng)式空中漢字展示無(wú)人機(jī)集群層級(jí)引領(lǐng)式拓?fù)浣换ソY(jié)構(gòu)的聚集動(dòng)態(tài)配置。

【正態(tài)路徑信息增長(zhǎng)到極大數(shù)，無(wú)逆態(tài)路徑信息】：集群控制的“自上而下”正態(tài)路徑信息增長(zhǎng)達(dá)到極值，引領(lǐng)式空中漢字展示無(wú)人機(jī)集群聚合過(guò)程按照一定層級(jí)引領(lǐng)式拓?fù)浣换ソY(jié)構(gòu)形式，形成二維/三維空間特定排列的集群系統(tǒng)編隊(duì)。

階段2：無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)優(yōu)化（調(diào)整優(yōu)化）

【正態(tài)路徑信息保持極大數(shù)，逆態(tài)路徑信息開(kāi)始從極小值逐步增益】：具有多模態(tài)感知功能的下層無(wú)人機(jī)，感知周?chē)鷳B(tài)勢(shì)環(huán)境的變化，集群系統(tǒng)內(nèi)部集群控制的“自下而上”的逆態(tài)路徑信息傳遞反饋開(kāi)始增強(qiáng)。

【逆態(tài)路徑信息與正態(tài)路徑信息達(dá)到平衡】：集群控制“自上而下”的正態(tài)路徑信息流動(dòng)方式開(kāi)始減弱。集群系統(tǒng)編隊(duì)進(jìn)行隊(duì)形動(dòng)態(tài)調(diào)整。集群內(nèi)部“自上而下”正態(tài)與“自下而上”的逆態(tài)路徑信息流動(dòng)方式達(dá)到平衡，維持集群系統(tǒng)編隊(duì)相對(duì)穩(wěn)定的平衡。

階段3：無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)解體（任務(wù)分配）

【正態(tài)路徑信息保持，逆態(tài)路徑信息逐步增益】：集群內(nèi)部“自下而上”逆態(tài)路徑傳遞反饋信息流動(dòng)方式占據(jù)主流。

【正態(tài)路徑信息消弱到極小值，逆態(tài)路徑信息逐步增益到極大值】：引領(lǐng)式空中漢字展示無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)依據(jù)多目標(biāo)分組、分配，引領(lǐng)式空中漢字展示無(wú)人機(jī)集群從底向上，在引領(lǐng)式空中漢字展示無(wú)人機(jī)集群層級(jí)引領(lǐng)式拓?fù)浣换ソY(jié)構(gòu)，逐層解體開(kāi)始，任務(wù)分配每個(gè)（層）智能體都有自己的任務(wù)或者子目標(biāo)。

2.2 引領(lǐng)式空中漢字展示無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)的雙向控制信息控制模式

從整體系統(tǒng)演化角度，引領(lǐng)式空中漢字展示無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)呈現(xiàn)出來(lái)的空間性、組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和有序性取決于如下關(guān)鍵要素。

2.2.1 引領(lǐng)式空中漢字展示無(wú)人機(jī)集群具備的N×N點(diǎn)陣層級(jí)結(jié)構(gòu)

圖2（a）為16個(gè)無(wú)人機(jī)單元的4 × 4點(diǎn)陣層次正方塊引領(lǐng)式集群結(jié)構(gòu)。根據(jù)各無(wú)人機(jī)單元在隊(duì)形中位置差異，依照層級(jí)劃分規(guī)則，對(duì)集群進(jìn)行編隊(duì)層級(jí)劃分。其中，第16無(wú)人機(jī)單元指定為當(dāng)前隊(duì)形的頂層中心引領(lǐng)單元，沿通信鏈路向下，依照相鄰關(guān)系和標(biāo)號(hào)依次遞減原則確定引領(lǐng)關(guān)系。

圖2 16個(gè)無(wú)人機(jī)單元構(gòu)成的4×4層次引領(lǐng)式組織結(jié)構(gòu)和全局鄰接矩陣Fig.2 The 4 × 4 leader–follower structure and adjacency matrix of 16 UAVs

2.2.2 基于雙向控制信息的引領(lǐng)式空中漢字展示無(wú)人機(jī)集群控制信息流動(dòng)全局時(shí)序態(tài)勢(shì)

在信號(hào)強(qiáng)度和覆蓋范圍上可保證有限通信信道帶寬內(nèi)連續(xù)交換信息的理想狀態(tài)，引領(lǐng)式無(wú)人機(jī)單元在層級(jí)引領(lǐng)式垂直整合下的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)之間，體現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)部層級(jí)引領(lǐng)式組織結(jié)構(gòu)“自上而下”和“自下而上”的路徑的信息流動(dòng)正反饋和負(fù)反饋：

正態(tài)路徑信息：引領(lǐng)式空中漢字展示無(wú)人機(jī)集群上層無(wú)人機(jī)單元，“自上而下”地整體約束、驅(qū)動(dòng)下層無(wú)人機(jī)單元。

逆態(tài)路徑信息：?jiǎn)蝹€(gè)自主無(wú)人機(jī)單元將被周?chē)鷳B(tài)勢(shì)環(huán)境的突顯目標(biāo)“刺激”，“自下而上”反饋到引領(lǐng)式空中漢字展示無(wú)人機(jī)集群相鄰的上層結(jié)構(gòu)無(wú)人機(jī)單元。

基于雙向控制信息的引領(lǐng)式空中漢字展示無(wú)人機(jī)集群控制信息流動(dòng)全局時(shí)序態(tài)勢(shì)可用如下全局鄰接矩陣描述:

式(1)表示引領(lǐng)式空中漢字展示無(wú)人機(jī)集群的單元數(shù)目。其中：

v= (v1,v2, … ,vN)引領(lǐng)式空中漢字展示無(wú)人機(jī)集群中無(wú)人機(jī)單元點(diǎn)集合；ω(i,k)表示引領(lǐng)式層級(jí)垂直整合下相鄰智能體之間信號(hào)傳輸，(i,k)∈v。

“自上而下”和“自下而上”的正態(tài)、逆態(tài)兩種信息路徑在引領(lǐng)式空中漢字展示無(wú)人機(jī)集群縱向?qū)蛹?jí)結(jié)構(gòu)的流動(dòng)狀態(tài)細(xì)化為2個(gè)狀態(tài)：

圖2（b）為16個(gè)無(wú)人機(jī)單元的4 × 4點(diǎn)陣層次正方塊引領(lǐng)式集群結(jié)構(gòu)全局鄰接矩陣。

如圖3所示，以4個(gè)無(wú)人機(jī)單元（x1、x2、x3、x4）的一字長(zhǎng)蛇陣引領(lǐng)式集群結(jié)構(gòu)為例，按標(biāo)號(hào)依次遞減?！白陨隙隆焙汀白韵露稀眱煞N集群控制信息，將呈現(xiàn)3個(gè)級(jí)別的流動(dòng)狀（1～2層、2～3層和3～4層）。引領(lǐng)式空中漢字展示無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)形成（聚合）、能體集群編隊(duì)優(yōu)化（調(diào)整優(yōu)化）和能體集群編隊(duì)解體（任務(wù)分配）時(shí)序態(tài)勢(shì)的全局系統(tǒng)演化法則如圖3所示。

圖3 一字長(zhǎng)蛇陣引領(lǐng)式4單元集群編隊(duì)形成和任務(wù)分配逐步演化規(guī)則(a)-(j)Fig.3 Global system evolution rules of the 4 leader–follower horizontal formation control and dynamic task assignment (a-j)

3 引領(lǐng)式空中漢字展示無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)仿真及算法時(shí)效性分析

3.1 256架無(wú)人機(jī)單元的16 × 16正方塊集群編隊(duì)

引領(lǐng)式空中漢字展示無(wú)人機(jī)集群采用HZK16漢字16 × 16點(diǎn)陣空中漢字字符展示方案，HZK16字庫(kù)里的16 × 16漢字一共需要256個(gè)點(diǎn)來(lái)顯示，需要256架無(wú)人機(jī)空中編隊(duì)組成各種字幕和圖案。本文在實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)目標(biāo)位置分配、路徑規(guī)劃、避撞要求、姿態(tài)軌跡跟蹤控制等技術(shù)基礎(chǔ)上[13]，設(shè)計(jì)了無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)聚合和解體的全局系統(tǒng)演化以及雙向控制信息控制模式，在MATLAB環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了256單元的引領(lǐng)式16 × 16點(diǎn)陣空中漢字的動(dòng)態(tài)展示無(wú)人機(jī)集群虛擬仿真。

假設(shè)在一定時(shí)間區(qū)間內(nèi)，引領(lǐng)式空中漢字展示無(wú)人機(jī)集群初始位置隨機(jī)分布，通過(guò)引領(lǐng)式集群編隊(duì)的基于雙向控制信息演化控制機(jī)制，隊(duì)形變換至256無(wú)人機(jī)單元的16 × 16點(diǎn)陣層次正方塊引領(lǐng)式集群隊(duì)形，如圖4(a)～(c)所示。

圖4 256架無(wú)人機(jī)單元的16 × 16正方塊集群隊(duì)形的切換軌跡圖Fig.4 Trajectory of 16 × 16 cluster formation of 256 UAVs

3.2 16 × 16的FED點(diǎn)陣漢字字幕和圖案展示

16 × 16點(diǎn)陣顯示漢字點(diǎn)陣地址段以十六進(jìn)制的方式，預(yù)存在靜態(tài)數(shù)組當(dāng)中方便調(diào)用。如圖5所示，通過(guò)控制無(wú)人機(jī)的外顯光源即可得到所需的FED點(diǎn)陣漢字字幕和圖案展示。

圖5 256單元的引領(lǐng)式無(wú)人機(jī)集群空中16 × 16點(diǎn)陣空中漢字Fig.5 16 × 16 air dot-matrix Chinese-character display of 256 leader–follower UAVs

3.3 時(shí)效性分析

為了驗(yàn)證引領(lǐng)式空中漢字展示無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)虛擬仿真算法的時(shí)效性，本文在確定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)（運(yùn)行速度等）的前提下，主要從集群編隊(duì)的規(guī)模、集群編隊(duì)初始目標(biāo)位置分配范圍，驗(yàn)證所建模型的合理性和穩(wěn)定性。

如圖6所示，集群編隊(duì)的規(guī)模采用16個(gè)無(wú)人機(jī)單元的4 × 4點(diǎn)陣層次正方塊引領(lǐng)式集群編隊(duì)聚合和解體過(guò)程為例，假設(shè)在一定時(shí)間區(qū)間內(nèi)，集群初始位置隨機(jī)分布，聚合為一字長(zhǎng)蛇陣引領(lǐng)式集群的隊(duì)形如圖6(a)所示，然后，針對(duì)3個(gè)突顯目標(biāo)，根據(jù)外部情況和任務(wù)需求進(jìn)行隊(duì)形動(dòng)態(tài)調(diào)整為3個(gè)小隊(duì)形如圖6(b)所示；任務(wù)完成后，編隊(duì)任務(wù)再次發(fā)生改變，集群期望隊(duì)形變換至16個(gè)無(wú)人機(jī)單元的4 × 4層次正方塊引領(lǐng)式集群隊(duì)形，如圖6(c)所示，針對(duì)2個(gè)突顯目標(biāo)，根據(jù)外部情況和任務(wù)需求進(jìn)行隊(duì)形動(dòng)態(tài)調(diào)整為3個(gè)小2 × 2小方塊隊(duì)形，集群解體，如圖6(d)所示，16個(gè)無(wú)人機(jī)單元用x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7、x8、x9、x10、x11、x12、x13、x14、x15、x16表示，x17、x18、x19代表周?chē)鷳B(tài)勢(shì)環(huán)境的“刺激”突顯目標(biāo)。

圖6 16個(gè)無(wú)人機(jī)單元的4 × 4點(diǎn)陣層次正方塊引領(lǐng)式集群編隊(duì)聚合和解體過(guò)程的切換軌跡圖Fig.6 Trajectory of the aggregation and dissolution for 4 × 4 cluster formation of 16 leader–follower UAVs

再以16個(gè)無(wú)人機(jī)單元的4 × 4點(diǎn)陣層次正方塊引領(lǐng)式集群結(jié)構(gòu)和256個(gè)無(wú)人機(jī)單元的16 × 16點(diǎn)陣層次正方塊引領(lǐng)式集群隊(duì)形為對(duì)比，兩種集群編隊(duì)初始目標(biāo)位置分配范圍從[200,200]到[1600, 1600]變化，驗(yàn)證算法的合理性和時(shí)效性。如圖7所示，本文算法的時(shí)效滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)集群的空中漢字展示的規(guī)劃需求。但是，仿真結(jié)果顯示，初始目標(biāo)位置分配范圍越大，相應(yīng)的算法收斂時(shí)間越長(zhǎng)。且無(wú)人機(jī)數(shù)量較少時(shí)，時(shí)效性較高，故無(wú)人機(jī)的數(shù)量對(duì)模型算法的時(shí)效性影響較大，因而需要選取合理方案。

圖7 16單元和256單元集群編隊(duì)的時(shí)效差異Fig.7 Time effect for leader–follower formation structure between 16 UAVs and 256 UAVs

4 結(jié) 論

隨著數(shù)字5G通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的拓展，5G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)將滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)集群為核心的計(jì)算基礎(chǔ)服務(wù)體系，應(yīng)用于各產(chǎn)業(yè)和行業(yè)領(lǐng)域的智能經(jīng)濟(jì)應(yīng)用場(chǎng)景[14-15]。本文工作在保證有限的通信信道帶寬內(nèi)連續(xù)交換信息的理想狀態(tài)上，主要工作如下：

（1）針對(duì)目前引領(lǐng)式智能體集群編隊(duì)控制主流研究都是基于傳統(tǒng)優(yōu)化方法的微分方程動(dòng)力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析控制方案，體現(xiàn)出不適于大規(guī)模集群的局限性。本文從整體的、系統(tǒng)演化角度，將無(wú)人機(jī)智能體集群內(nèi)部要素（智能體或子系統(tǒng)）、與其相關(guān)聯(lián)的外部環(huán)境要素，組合成一個(gè)由外部環(huán)境和內(nèi)部機(jī)制的具有整體多層次嵌套結(jié)構(gòu)、多元維度調(diào)控聯(lián)合驅(qū)動(dòng)、全局系統(tǒng)演化的自適應(yīng)復(fù)雜系統(tǒng)，提出了引領(lǐng)式空中漢字展示無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)形成（聚合）和協(xié)同任務(wù)分配（解體）的全局系統(tǒng)演化認(rèn)知框架。

（2）從引領(lǐng)式空中漢字展示無(wú)人機(jī)集群具備的垂直整合下的動(dòng)態(tài)層級(jí)結(jié)構(gòu)、集群層級(jí)結(jié)構(gòu)存在“自上而下”和“自下而上”內(nèi)部協(xié)同信息流動(dòng)路徑或方式的有序性等要素入手，著重解析了無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)的控制信息流動(dòng)時(shí)序態(tài)勢(shì)演化周期機(jī)制。

（3）給出一種全局鄰接矩陣形式化定義，描述基于雙向控制信息的引領(lǐng)式空中漢字展示無(wú)人機(jī)集群控制信息流動(dòng)全局時(shí)序態(tài)勢(shì)。

（4）在MATLAB環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了空中漢字展示的無(wú)人機(jī)集群虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了方案的有效性。