摘要：無人機集群已成為信息化戰(zhàn)爭中重要的新質(zhì)作戰(zhàn)力量。為解決多任務(wù)驅(qū)動下無人機集群的形態(tài)控制問題，提出了一種仿鳥群行為的無人機集群相變控制方法分析了鳥群行為模式，總結(jié)了以麻雀群為例的鳥群聚集御敵行為特征通過引入向心/離心對偶力，建立“突變”交互規(guī)則，構(gòu)建了基于四規(guī)則的無人機集群相變控制模型定義了控制參量和序參量，通過調(diào)控關(guān)鍵控制參量，實現(xiàn)了無人機集群的相變控制，實驗驗證了所提方法的有效性經(jīng)群體智能優(yōu)化算法的最優(yōu)參數(shù)求解，有序相形成周期均縮短了近70%，驗證了方法的優(yōu)化可行性。該方法可望在無人機集群偵察感知、應(yīng)急救援等任務(wù)中廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：無人機集群；相變控制；序參量；控制參量；群體智能

DOI：10.3969/j. issn. 1009-086x. 2025. 01. 002

中圖分類號：TP273；TJ76 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1009-086X（2025）-01 -0011 -12

引用格式：邱浩楠， 何明， 韓偉， 等.一種仿鳥群行為的無人機集群相變控制方法[J].現(xiàn)代防御技術(shù)，2025，53（1）：11-22.

Reference format： QIU Haonan，HE Ming，HAN Wei，et al.A Phase Transition Control Method for UAV Swarm Based onBirds’ Behaviors[J].Modern Defence Technology，2025，53（1）：11-22.

0 引言

受自然界鳥群群體行為的啟發(fā)，集群聚集、集群遷徙、躲避天敵等［1］行為已被借鑒并映射至無人機集群行為模式中，有效解決了集群集結(jié)、路徑規(guī)劃、目標(biāo)追蹤、緊急避障等［2?3］無人機集群復(fù)雜任務(wù)需求。隨著無人機集群應(yīng)用場景的多元化及任務(wù)需求的日益復(fù)雜化，如何有效地分析并控制多任務(wù)驅(qū)動下無人機集群的群體形態(tài)成為亟待解決的問題。

現(xiàn)階段，無人機集群控制方法已有諸多研究。一致性控制強調(diào)通過傳感器或通信網(wǎng)絡(luò)的交互，促使集群內(nèi)智能體的狀態(tài)隨著時間逐漸趨于一致。其中，基于Vicsek 模型的一致性控制得到了廣泛的研究應(yīng)用［4?5］。編隊控制方法則旨在根據(jù)特定任務(wù)需求，預(yù)先為無人機集群設(shè)計適當(dāng)?shù)募航Y(jié)構(gòu)，集群中個體調(diào)整至相應(yīng)位置以構(gòu)建預(yù)設(shè)的集群形態(tài)。目前常見的無人機集群編隊控制策略包括領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者策略、基于行為的編隊控制方法等。領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者策略［6］是指選取集群中的一架或多架無人機作為領(lǐng)導(dǎo)者，負(fù)責(zé)速度-方向等運動參數(shù)的設(shè)定，其他無人機跟隨領(lǐng)導(dǎo)者行動；基于行為的編隊控制［7］是參考鳥類等生物群體行為，建立的無人機集群動力學(xué)模型。DUAN［8］和HE等［9］將鴿群的行為機制映射至無人機集群的協(xié)同控制中，提出了多種基于群體仿生智能的無人機協(xié)同控制方法，展現(xiàn)出了良好的飛行效果。

但上述控制方法策略都具有一定的局限性，一致性控制難以滿足集群無序復(fù)雜形態(tài)的控制需求。領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者策略避免不了剛性結(jié)構(gòu)的限制，集群靈活性較差；基于群體仿生智能的模型策略動態(tài)模型建立難，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，需要進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練模擬，應(yīng)用效率較低［10］。綜上所述，現(xiàn)有的無人機集群控制方法僅能應(yīng)對單一或有限類型的群體形態(tài)構(gòu)建，在多形態(tài)、快速響應(yīng)和穩(wěn)定轉(zhuǎn)換等技術(shù)難題上仍表現(xiàn)不佳。因此，亟需一種形態(tài)實現(xiàn)種類多樣、形態(tài)轉(zhuǎn)換更為靈活的集群控制方法。

相變的概念最早源自于物理學(xué)領(lǐng)域，揭示了物質(zhì)在不同的條件下從一個相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€相的狀態(tài)變化及其規(guī)律。近年來，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)鳥類群體中也存在著類似的相變現(xiàn)象，ATTANASI 等［11］發(fā)現(xiàn)鳥群的局部波動可能涌現(xiàn)出從直線運動到集體轉(zhuǎn)向的相變現(xiàn)象。BASTIEN 等［12］借鑒鳥群的最小視覺模型研究了多智能體的群體行為，發(fā)現(xiàn)不同參數(shù)集會導(dǎo)致不同行為的出現(xiàn)。因此，若能借鑒鳥群行為相變過程，僅通過調(diào)整部分參數(shù)，便可實現(xiàn)群體行為的涌現(xiàn)，將大幅度降低無人機集群在復(fù)雜任務(wù)場景下的控制難度。

本文將利用“ 相變”這一概念來探究群體行為規(guī)律及其成因，使用“相”來描述無人機集群的基本行為，把“相變”思想引入到無人機集群控制中，將無人機集群的形態(tài)轉(zhuǎn)換按照速度-方向劃分為一致性相變和不一致性相變，以此來描述集群任務(wù)執(zhí)行過程中個體速度-方向迥異的群體行為。通過對鳥群行為的借鑒分析，歸納無人機集群速度-方向趨于一致的形態(tài)為一致性有序相，個體速度-方向全部不一致或集群內(nèi)部分無人機個體速度-方向不一致的形態(tài)為不一致性無序相。

通過引入向心/離心對偶力，在基于分離、聚集和速度匹配的規(guī)則基礎(chǔ)上，提出一種新的控制規(guī)則：“ 突變”，創(chuàng)新性地建立四規(guī)則相變控制模型（four-rules phase transition model，F(xiàn)RPT）模型?；谠撃Ｐ?，本文提出的無人機集群相變控制方法，可以實現(xiàn)多任務(wù)驅(qū)動下無人機集群復(fù)雜群體形態(tài)的實現(xiàn)與轉(zhuǎn)換。在此基礎(chǔ)上，利用多種群體智能優(yōu)化算法計算相變控制參量的最優(yōu)參數(shù)，進(jìn)一步提高無人機集群相變控制的效率。