譚威, 胡永江, 李文廣, 張小孟

(陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū) 無人機工程系， 河北 石家莊 050051)

0 引言

與載人飛行器相比，無人機作戰(zhàn)具有較為明顯的優(yōu)勢。例如，無人機作戰(zhàn)時不需要考慮飛行員的生理極限，能夠進入到風(fēng)險較高的空域進行作戰(zhàn)；而且無人機不載人，也能夠大幅降低人員傷亡。除此之外，無人機具有較強的自主控制能力、較長的續(xù)航時間等優(yōu)勢[1-5]。在海灣戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭中均出現(xiàn)了無人機作戰(zhàn)的實例，在中低空偵察、電子對抗等方面無人機作戰(zhàn)有了出色的表現(xiàn)。不過，戰(zhàn)爭中需要對全局進行把握，所以通常單架無人機的能力有限，常常需要多架無人機進行協(xié)同作戰(zhàn)。與單一無人機作戰(zhàn)相比，多無人機協(xié)同作戰(zhàn)能夠解決更為復(fù)雜的問題，而且完成任務(wù)的效率更高，作戰(zhàn)中部分無人機出現(xiàn)損傷對全局任務(wù)影響也較輕微[6]。

1 多無人機協(xié)同任務(wù)規(guī)劃的關(guān)鍵問題

基于現(xiàn)今多無人機協(xié)同任務(wù)規(guī)劃的研究現(xiàn)狀，該領(lǐng)域研究的關(guān)鍵問題主要存在于任務(wù)建模、多無人機協(xié)同目標(biāo)分配、多無人機協(xié)同航跡規(guī)劃和航跡重新規(guī)劃幾個方面。第一，現(xiàn)存的所有無人機協(xié)同任務(wù)模型的處理方法各異，通用算法無法滿足模型求解的問題。另外，多無人機協(xié)同作戰(zhàn)的環(huán)境更為復(fù)雜，三維尺度下的問題求解難度更高，因此在算法優(yōu)化方面需要考慮在三維條件下多無人機的協(xié)同關(guān)系，約束關(guān)系以及三維空間的表示方法，篩選出適合于三維環(huán)境的算法；第二，為了保證多無人機之間的任務(wù)分配的統(tǒng)一性，以及多無人機之間的信息共享，需要利用能夠適用于所有模型問題求解的算法。在進行算法設(shè)計時，需要考慮實際分配的物理意義，設(shè)計科學(xué)的空間轉(zhuǎn)換映射規(guī)則，以提高算法的靈活性和正確性；第三，無人機作戰(zhàn)的三維環(huán)境較為復(fù)雜，因此航跡的規(guī)劃問題則更為困難。在進行航跡規(guī)劃時，需要首先找到航跡關(guān)鍵點。在進行關(guān)鍵點選擇時，需要考慮單個無人機自身條件以及多無人機彼此之間的約束條件、空間的約束條件等，還需要盡量降低問題求解和算法的復(fù)雜性；第四，無人機在實況作戰(zhàn)中常常會遇到突發(fā)的威脅，因此需要進行單機的軌跡重新規(guī)劃。然而在重新規(guī)劃過程中，需要考慮到多機協(xié)同任務(wù)規(guī)劃的全局，不破壞多機共同作戰(zhàn)的協(xié)同性。這一問題是多個目標(biāo)的優(yōu)化問題，需要降低協(xié)同計算的復(fù)雜性，縮短計算時間。本文基于現(xiàn)今多無人機協(xié)同任務(wù)規(guī)劃研究的進展，從任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)、任務(wù)分配和航跡規(guī)劃幾個方面進行了綜述。

2 任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)

多無人機協(xié)同任務(wù)規(guī)劃是基于單機任務(wù)規(guī)劃發(fā)展的，需要具有基本的任務(wù)規(guī)劃特點。例如，在進行任務(wù)規(guī)劃時，需要明確任務(wù)的類型、完成任務(wù)的區(qū)域和時間；而且需要對戰(zhàn)場中的環(huán)境、目標(biāo)和事態(tài)進行準(zhǔn)確分析；以及要能夠在保證最小代價的情況下，完成最大的收益，從而進行約束條件的設(shè)定、數(shù)據(jù)的評估、分配方案的確定和飛行軌跡的規(guī)劃。在任務(wù)規(guī)劃時，多無人機協(xié)同作戰(zhàn)往往會面臨多個作戰(zhàn)目標(biāo)和多個作戰(zhàn)任務(wù)，因此通常進行任務(wù)規(guī)劃時需要遵循價值高目標(biāo)優(yōu)先原則，距離近目標(biāo)優(yōu)先原則，任務(wù)執(zhí)行時間短優(yōu)先原則，委派無人機數(shù)量少優(yōu)先原則。

2.1 任務(wù)規(guī)劃流程

多無人機協(xié)同任務(wù)規(guī)劃的流程一般分為實時規(guī)劃和離線規(guī)劃兩個過程，其規(guī)劃流程圖，可分為事態(tài)評估、威脅評估、軌跡規(guī)劃幾個部分，如圖1所示。

圖1 多無人協(xié)同任務(wù)規(guī)劃流程

這一過程同時需要完成的流程有任務(wù)的分析、任務(wù)優(yōu)先級的確認、根據(jù)已知信息對事態(tài)進行評估和預(yù)測、任務(wù)威脅評估以及完成目標(biāo)收益和代價的預(yù)測。根據(jù)對以上數(shù)據(jù)進行評估，然后建立多無人機協(xié)同任務(wù)規(guī)劃的優(yōu)先級原則，對任務(wù)進行分配，對無人機的路徑進行規(guī)劃和修正。在無人機起飛后，所涉及的任務(wù)規(guī)劃流程都屬于實時規(guī)劃過程。當(dāng)無人機起飛后，在執(zhí)行任務(wù)過程中面臨突發(fā)的威脅，或是與其他無人機之間發(fā)生相互干擾，那么無人機所攜帶的傳感器將會回傳數(shù)據(jù)信息，通過對回傳的數(shù)據(jù)進行分析和評估，進行威脅評估。如果所面臨的威脅對無人機具有武器威脅并影響其自身安全和任務(wù)安全，那么將重新進行任務(wù)規(guī)劃，改變航行路徑；若不造成上述威脅，則依照原計劃進行任務(wù)執(zhí)行。

2.2 任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的基本架構(gòu)

多無人機協(xié)同任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)一般可分為內(nèi)部數(shù)據(jù)管理模塊、事態(tài)/威脅評估模塊、檢測管理模塊、任務(wù)分配模塊、航跡規(guī)劃模塊、通信模塊、協(xié)調(diào)模塊和方案效能評估模塊八大部分，任務(wù)規(guī)劃過程包括基本規(guī)劃、協(xié)調(diào)規(guī)劃和監(jiān)測控制三條路徑。其中，內(nèi)部數(shù)據(jù)管理模塊是該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，儲存了任務(wù)規(guī)劃的所有數(shù)據(jù)，并以供任務(wù)規(guī)劃調(diào)用；事態(tài)/威脅評估模塊是對環(huán)境中的目標(biāo)、事態(tài)和威脅進行感知，并對其進行綜合評估；檢測管理模塊主要功能是對其他模塊的狀態(tài)、控制和調(diào)度進行跟蹤；任務(wù)分配模塊主要是根據(jù)不同的無人機類型對其進行任務(wù)的分配，從而保證完成任務(wù)的最大收益；航跡規(guī)劃模塊的主要作用是根據(jù)目標(biāo)位置確定航跡關(guān)鍵點，進行完成無人機路徑的規(guī)劃；通信模塊的主要任務(wù)是完成無人機與控制中心以及無人機與無人機之間的信息共享；協(xié)調(diào)模塊的主要功能是在實時規(guī)劃過程中對多無人機之間進行協(xié)調(diào)以及任務(wù)的重新分配和路徑重新規(guī)劃；方案效能評估模塊的主要功能是對方案的收益進行評估。

2.3 任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的控制方式

基于以上論述，多無人機協(xié)同任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)更為復(fù)雜，具有更為復(fù)雜的模塊和更復(fù)雜的控制系統(tǒng)，在執(zhí)行作業(yè)時既要保障全局收益，又要兼顧各個單無人機之間的協(xié)調(diào)以及作業(yè)的效率。因此在對任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)進行設(shè)計時，需要對各個模塊的功能進行明確，增加有效模塊，刪除無用模塊；另外還需要根據(jù)任務(wù)類型選用合適的控制系統(tǒng)，進行有效的任務(wù)分配。

3 多無人機的任務(wù)分配

多無人機協(xié)同作戰(zhàn)的任務(wù)分配主要包括了任務(wù)分配和目標(biāo)分配。任務(wù)分配需要遵循三個原則：第一，所分配的目標(biāo)與所委派的無人機性能相匹配；第二，多無人機執(zhí)行任務(wù)時，時間協(xié)調(diào)；第三，多目標(biāo)任務(wù)執(zhí)行時，遵循全局收益最大化的原則。

其中任務(wù)分配是指基于無人機自身的性能，委派給符合其性能的任務(wù)。例如，偵察無人機負責(zé)偵察監(jiān)視，具有武力攻擊功能的無人機負責(zé)火力打擊，具有效果評估性能的無人機負責(zé)效果評估等工作。在多無人機協(xié)同作業(yè)時，通常系統(tǒng)會不排除具有不同性能的偵察機。例如，在對多無人機協(xié)同作業(yè)的系統(tǒng)，郜晨[7]建立起了偵查、打擊和評估的任務(wù)分配，并按照偵查、評估、打擊、評估的順序進行執(zhí)行。任務(wù)分配的模型和問題求解基本類似，可看作為優(yōu)化組合NP問題。

多無人機協(xié)同作業(yè)的目標(biāo)分配可分為編隊級的目標(biāo)分配和編隊內(nèi)的目標(biāo)分配。編隊級的目標(biāo)分配通常采用聚類分析法進行分類。例如，葉青松等[8]將多無人機的目標(biāo)分配分為兩個階段進行，首先對多目標(biāo)進行聚類求解，由分散的目標(biāo)解得目標(biāo)簇；然后將所得目標(biāo)簇分給不同的無人機編隊，完成編隊級的目標(biāo)分配過程。編隊內(nèi)目標(biāo)分配的模型主要有多旅行商問題模型、車輛路徑問題模型、混合整數(shù)線性規(guī)劃模型和網(wǎng)絡(luò)流模型；常見的求解算法有遺傳算法、合同網(wǎng)算法、混合整數(shù)線性規(guī)劃算法等，這些算法的性能如表1所示。

表1 多無人機協(xié)同任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)任務(wù)分配算法舉例

萬路軍等[9]在對有/無人機作戰(zhàn)系統(tǒng)進行目標(biāo)分配時，便采用了集中式遺傳算法和合同網(wǎng)算法對目標(biāo)進行了分布式分配，實驗結(jié)果表明，集中式遺傳算法進行目標(biāo)分配時能夠得到全局利益最大化的目標(biāo)分配方案，但合同網(wǎng)算法進行目標(biāo)分配時的計算時間更短，通信量更低。

4 多無人機的航跡規(guī)劃

多無人機協(xié)同任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)中的航跡規(guī)劃主要包括了無人機的路徑規(guī)劃和航跡修正兩個部分。在進行路徑規(guī)劃時，也需要注意符合相應(yīng)的規(guī)劃原則：第一，避開威脅原則。在飛行路徑中應(yīng)盡可能避免環(huán)境威脅、武力威脅、編隊碰撞等；第二，符合無人機自身特性原則。在飛行時，路徑航線的距離、轉(zhuǎn)彎的角度、飛行的高度都應(yīng)該符合無人機自身的特性；第三，路徑最優(yōu)原則。在保證完成所有目標(biāo)任務(wù)的情況下，規(guī)劃最短路徑，且保證不被地方雷達監(jiān)測到。

路徑規(guī)劃的算法與目標(biāo)分配的算法大致類似，也有遺傳算法、合同網(wǎng)算法、混合整數(shù)線性規(guī)劃算法等，基本性能也類似，這些算法的性能如表2所示。

表2 多無人機協(xié)同任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)路徑規(guī)劃算法舉例

路徑規(guī)劃的建模方法與目標(biāo)分配有所不同，常見的建模方法有路標(biāo)圖建模法、單元分解建模法和人工勢場建模法。例如，葉媛媛等[10]利用路標(biāo)圖建模法對多無人機協(xié)同作戰(zhàn)的路徑規(guī)劃進行建模，利用Voronoi圖規(guī)劃了已知的靜態(tài)威脅和航行中突現(xiàn)的動態(tài)威脅，完成了無人機的路徑規(guī)劃。宋佳瑞等[11]對多無人機協(xié)同作戰(zhàn)環(huán)境的整個空間建立了勢場模型，建立了任務(wù)目標(biāo)的吸引力場和威脅源的排斥力場。在這兩種勢場的作用下，結(jié)合搜索算法，規(guī)劃了無人機的最優(yōu)航行路徑。這一方法規(guī)劃的路徑實時性強，安全性較高。

航跡修正是對無人機所規(guī)劃的路徑進行進一步處理的做法，通常有平滑處理、安全距離處理和多機協(xié)同優(yōu)化處理等方法。通常所規(guī)劃的無人機航行路徑是由多條短直線連接起來的，不同路徑段連接處都具有一定的角度。為了滿足無人機的自身特性，通常需要對路徑進行平滑處理，使得較為尖銳的轉(zhuǎn)角變得平滑。閆俊豐[12]利用B-spline的方法對多無人機協(xié)同任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)規(guī)劃的路徑進行了平滑處理，分別對高度移動和平面移動進行了修正，最終得到的修正路徑完全滿足無人機自身性能的要求以及工作環(huán)境的約束。另外，在多無人機協(xié)同作戰(zhàn)時，不僅需要考慮平滑處理，還需要考慮多機之間的安全距離。Wu等[13]通過仿真得到PH曲線，同時利用和聲搜索算法對無人機的航行路徑進行了調(diào)整，最終的航行路徑能夠完全保證任意兩機之間的距離都大于安全距離，能夠有效避免障礙物以及避免兩機之間的碰撞。

多無人機協(xié)同任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)中進行路徑規(guī)劃時，通常先通過建模規(guī)劃初始路徑，然后再進行平滑處理、安全距離處理等得到修正后的航跡。所用的算法與任務(wù)分配所采用的算法類似。

5 總結(jié)

多無人機協(xié)同任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)是一個較為復(fù)雜的系統(tǒng)，本文對其整體架構(gòu)的設(shè)計、任務(wù)分配方法和路徑規(guī)劃系統(tǒng)等進行綜述。一般來說，多無人機協(xié)同任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)包括八大模塊，且各自具有各自的功能性。根據(jù)系統(tǒng)自身的需要，可以針對性增加或刪減某些模塊。在進行任務(wù)分配時，一般包括任務(wù)分配和目標(biāo)分配兩個部分，不同的算法具有不同的特性，一般需要滿足目標(biāo)與無人機性能匹配原則、多無人機時間協(xié)調(diào)原則和全局收益最大化原則。航跡規(guī)劃一般包括路徑規(guī)劃和航跡修正兩個部分，通過算法規(guī)劃出最優(yōu)路徑，然后再通過平滑處理和安全距離處理等手段，使得路徑符合無人機自身的特性。航跡規(guī)劃時一般需要滿足避開威脅原則、符合無人機自身特性原則和路徑最優(yōu)原則。