多无人机协同编队飞行控制的研究现状

第30卷 第4期航 空 学 报

V ol 30N o 4 2009年 4月A CT A AERO N AU T ICA ET AST RON A U T ICA SIN ICA A pr. 2009

收稿日期:2008 01 20;修订日期:2008 05 08基金项目:国家自然科学基金(60674100)

通讯作者:樊琼剑E mail:fan qiong jian@

文章编号:1000

6893(2009)04 0683 09多无人机协同编队飞行控制的研究现状

樊琼剑1,2,杨忠1,方挺1,沈春林1

(1.南京航空航天大学自动化学院,江苏南京 210016)(2.空军航空大学航空控制工程系,吉林长春 310022)

Research Status of C oordinated Formation Flight C ontrol for Multi UAVs

Fan Qiong jian 1,2,Yang Zho ng 1,Fang T ing 1,Shen Chunlin 1

(1.Colleg e o f A uto matio n Engineer ing ,Nanjing U niver sity o f A eronautics and A st ronautics,N anjing 210016,China)

(2.Depar tment o f A viation Co ntro l,Av iatio n U niv ersit y of A ir Fo rce,Chang chun 310022,China)摘 要:多无人机(U A V s)编队飞行的协同侦察、作战模式可以在一定程度上提高单机单次作战任务的成功概率,因而引起各国对多机编队飞行的研究热潮。针对这一情形,在介绍了多U AV 协同编队飞行(CF F)的定义和应用特点的基础上,结合近年来国内外多U A V 编队飞行的发展状况和一些主要的研究成果,着重分析和讨论了编队飞行控制中几个相关的关键技术问题,主要包括:队形设计、气动耦合、队形的动态调整、航迹规划、信息互换以及编队飞行控制策略等问题;最后对未来的发展趋势进行了展望。研究成果对正在研究的多机作战平台系统的协同作战技术具有一定的参考意义。

关键词:多无人机;协同编队飞行;飞行控制策略;测试;信息分析中图分类号:V249 1 文献标识码:A

Abstract:Coo per ativ e reconnaissance,operation mo des of multi unmanned aerial v ehicles (U A V s)for matio n flight can enhance successful r ate o f t he single o per at ion for single aircraft to some ext ent,so multi U A Vs for matio n flight is cur rent ly one o f the mo st activ e research to pics in the domain of U A V r esear ch and develop ment.A cco rding to the cur rent sit uation,the concept and applicatio n o f coo rdinated fo rmatio n flig ht contr ol is intr oduced f irstly.T hen the fo reig n and domestic researches and t heir r esults in the aspect o f coo rdinated fo rmatio n flig ht (CFF)contro l of multi U A Vs are ov erv iewed,and at the same time sever al related key issues ar e discussed and analyzed respect ively,including for mat ion desig n,aer odynamic coupling ,for mation reconfig ur atio n,traject or y planning ,informat ion ex change and for mation flig ht co ntro l str ategy pr lblems.Finally ,r esear ch ar eas ar e pro po sed to address dev elo pment tendency and challeng es.T he r esear ch results also have some r efer ence value fo r coo per ativ e operatio ns o f the mult i platfo rm system.

Key words:multi unmanned aer ial vehicles;coo rdinated for matio n flight;flight contro l strateg y;testing ;infor matio n annly sis

自从无人机(Unmanned Aerial V ehicle,

U AV)在1991年的海湾战争中得到成功运用以来,已有三十多个国家投入大量的人力和财力从事U AV 的研究和生产。经过几十年的发展,U AV 技术已相对成熟,并在各个领域中发挥了其独特的作用。尽管如此,单架的UAV 执行任务时仍存在相应的问题,如执行侦察任务时,单架U AV 可能会受到传感器的角度限制,不能从多个不同方位对目标区域进行观测,当面临大范围搜索任务时,不能有效地覆盖整个侦察区域;而如果是执行攻击任务,同样,单架U AV 在作战范

围、杀伤半径、摧毁能力以及攻击精度等方面受到的限制,会影响整个作战任务的成功率;另外,一旦单架UAV 中途出现故障,必须立即中断任务返回,但在战争中有可能贻误战机而破坏整个作战计划。

针对以上现状,多年来人们通过分析生物群体的社会性现象,如模仿群鸟迁徙过程中,其队形保持、节省能量以及协同对抗天敌等能力,来解决目前所关注的问题,其目的是为了尽可能地发挥单架UAV 的作用,实现多UAV 协同编队飞行(Coo rdinated Formation Flight,CFF)的控制、决策和管理,从而提高U AV 完成任务的效率,拓宽U AV 使用范围,达到安全、高可靠性地执行空中加油、空中监视、侦察和作战等多种任务的目的。