3.1.4 无人机动力学给集群任务协同带来的挑战

黄琳院士指出：“运动体所表现出的具有强非线性、强实时变与强耦合性和高不确定性的特征使得问题变得特别困难，例如…非线性非完整约束、…欠驱动问题…”。小型固定翼无人机是典型的欠驱动、非线性高速运动体，存在巡航速度、最大/最小速度/角速度等约束，且其空气动力学参数和飞行速度密切耦合。以“双子星”无人机为例，其巡航速度约为16m/s，失速速度约为12m/s，最大速度约23m/s。并且，无人机在飞行中不可避免地受到机体振颤和阵风等影响，但是由于机体重量轻、推力小，主动抗风性能较差。故而，固定翼无人机因其强非线性特点，在集群协同的规划决策、起飞降落、通信组网、集群飞行等方面均比“准静态”的旋翼无人机集群复杂得多。

3.2 集群控制关键技术研究现状

以集群协同遂行“OODA”控制回路为背景，国内外在集群体系架构、集群通信与组网、集群决策与规划、集群无人机系统、集群飞行与队形重构、集群安全、集群指控等关键技术领域开展了大量理论和应用研究。

3.2.1 集群体系架构

采用何种结构将多个无人平台组合起来发挥更大效能，是集群实现首先要解决的问题。根据信息交互的策略，现有集群架构通常可分为集中式和分布式架构。分布式架构具有较好的扩充性和容错性，能够将突发影响限制在局部范围内，适宜于大规模系统。例如，美国海军的LOCUST项目就采用典型分布式架构。

不同于单体体系架构，集群体系必须综合设计集群间以及单机内部结构。过去几年，无人机集群领域进行了较多体系结构相关的研究。Sanchez-Lopez等针对多无人机系统提出了一种混合反应/慎思式的开源体系架构AeroStack，包含了反应、执行、慎思、反思和社会等5层。Grabe等提出一种异构无人机集群的端到端控制框架Telekyb，其高层任务(例如任务规划等)集中运行在地面端。Boskovic等提出无人机群的6层分层结构CoMPACT，有效结合了任务规划、动态重分配、反应式运动规划和突发式生物启发群体行为等，将任务执行分为任务、功能、团队、班排、无人机等级别。但是：上述工作均主要针对小规模四旋翼无人机集群，并没有针对固定翼无人机设计，特别是没有考虑固定翼无人机高速运动所需的强实时性。相比之下，Chung等提出了一个群体系统并演示了多达50个固定翼无人机的实时飞行实验。然而，该工作更多地集中在无人机集群的系统实现设计，包括自主发射、起降和飞行等，不支持集体行为和任务协调等。

总体而言，集群体系架构领域还存在以下挑战：1、规模可扩展性：绝大多数工作只在小规模系统(通常2～5架)验证。随着规模增加，不论在理论还是系统实现上，集群系统的难度指数上升，体系结构设计也更有挑战。2、多样性：现有方案通常只关注特殊领域，很少可以适用多种任务。然而，高度自治化的集群系统需要支持多样化任务。另外，目前集群架构设计主要针对旋翼无人机集群，还欠缺适宜于执行多样化任务的大规模固定翼无人机集群的体系架构。

3.2.2 集群通信与组网

机间通信是集群协同的基础之一。集群通信一般考虑空中无人机和机面控制站之间，以及集群无人机之间的通信。无人机集群的地面控制站，通常配备有通信设备(常使用未经许可的无线电频段，如900MHz)，采用点对多点或广播方式，向无人机发送控制命令和接收遥测数据。通常，遥测数据包括GPS信息、无人机状态信息以及机载载荷的感知信息等。集群无人机之间的通信主要用于无人机之间的状态和载荷信息交互。本节主要关注集群无人机之间的通信。固定翼无人机集群由于节点数量多、任务种类多、飞行速度快、相对时空关系变化频繁以及信息传递的即时性和突发性等，使得集群之间的通信和组网具有很大的挑战性。

通信体系结构是无人机组网设计的核心内容之一，合适的网络结构，可以提高通信数据以及上层任务执行的效率和可靠性。

当前的无人机集群通常采用2种通信架构形式之一，分别为基于基础设施的集群架构和基于自组网(ad-hoc)的集群架构。

基于基础设施的架构包含基站(例如和地面站相连的地面基站或者通信卫星)，所有的无人机都和基站直接相连。基站接收集群中所有无人机的遥测信息，并转发给其他所有或部分无人机。故而，该架构也可称为以基站为中心的通信组网。该架构优势在于：1、可以借助地面高性能计算设备进行复杂的实时计算和优化。2、机间联网不是必需的，可以减少无人机的有效负载。但是基于基础设施的架构严重依赖于基站，系统缺乏冗余性，且基站和无人机之间的通信可能容易受到干扰；如果基站受到攻击或干扰，整个集群的可操作性将受到损害。同时，基于基础设施的架构要求所有无人机都必须在基站的传播范围内；特别地，小型无人机的负载能力极度有限，与基础设施建立可靠通信所需的硬件可能会限制基于基础设施的集群功效，限制了集群无人机的运动范围。另一个缺点是缺乏分布式决策能力，通常通过地面站协调所有无人机的决策。和集中式体系架构类似，随着规模的增加，通信数量、决策维数等存在维数爆炸的问题，限制了集群规模的增加；同时，不可避免地存在通信时延，使得系统难以实时响应决策。