摘 要：无人直升机在军事和民用领域应用越来越广泛。为使无人直升机能够更好地发挥作用，采用多机编队能更好完成协同侦察、作战、防御及喷洒等任务。多机编队技术主要包括任务分配技术、航迹规划技术、编队控制技术、通信组网技术和虚拟/实物验证实验平台技术等．文章以无人直升机及其编队技术的发展现状为切入点，结合无人直升机及其编队发展特点与作用等关键因素，重点对无人直升机编队的关键技术和难点技术展开更加深入的分析，以期通过对无人直升机编队技术的有效利用，助推未来无人直升机及其编队技术的发展。

关键词：无人直升机；多机编队；任务分配；编队控制技术

中图分类号：V279+.3 文献标识码：A 文章编号：

1 引言

无人直升机在军事及民用领域有着广泛的应用前景。无人直升机对起降环境要求较低，具备垂直升降、悬停和机动飞行的特点。进入飞行状态后，可全向飞行，具备较高的灵活性，可应对空中多种突发情况。因其独特的飞行特性，无人直升机正广泛应用于各行各业。但是随着无人机应用场所复杂度的提高，尤其是未来战场高新技术不断被应用，战场信息化程度高，战况瞬息万变，单架无人直升机往往无法完成特定的任务，此时，由多架无人直升机协同编队来共同完成，且其任务完成的效率更高。例如在大范围目标区域内执行包括搜索目标、打击目标和打击效果评估的作战任务，如果由同时具备侦察、打击功能的单架无人机实施该作战任务，不仅任务耗时长，无人机成本和任务失败风险都会明显提高；而由多架搭载不同功能模块的无人机执行任务，不但可以降低成本，而且可以提高搜索与打击效率，降低风险。同时，配合先进的协同任务规划算法，可以更高效地搜索和打击更多的目标。

当多个无人机协同完成某项任务时，就可以将它们视为一个无人机编队（图1）。随着任务量及任务的多样性增加，单架直升机已不能满足任务的需要，无人直升机编队被越来越多的国内外学者关注。

无人直升机编队飞行相较单架直升机飞行具有诸多优势，比如编队飞行的视野更广阔，执行任务的成功概率更高，侦察地面情况更清晰、更具时效性，编队飞行的阻力更小[1-3]。因此，国内外对无人机编队飞行展开了大量研究。

2 无人直升机关键技术和难点技术分析

当前对无人直升机编队的研究主要还是采用无人直升机与编队技术分开进行，以下从单架无人直升机和无人直升机编队两个方面进行分析。

2.1 无人直升机关键技术和难点技术

（1）无人直升机建模

现今世界主要科技强国对于无人直升机的研究已有相当长的时间，技术与经验基础相对扎实，但对其中部分问题的研究尚处于不断深化及完善过程中，如，动力学结构问题、飞行控制问题等，而这些问题的解决均离不开小型无人直升机建模技术的支持。

无人直升机建模主要有：结构分析法、运动学及动力学建模、分体法等，当下不管哪种建模方法，所得到的模型和实际特性均存在一定的偏差，如何得到准确的无人直升机模型便成为当下研究的重点之一。只有得到准确的模型，才能有效保证无人直升机系统的性能的优越性。

（2）飞行控制技术

无人直升机具有较强的非线性特性及耦合性，主要集中在两个方面，包括执行机构的非线性以及数学模型的非线性。结构自身具有严重的非线性特征，无人直升机特性的差异化，除了表现在不同飞行状态时，在施加激操纵量的同一飞行状态下，同样可激发其中潜藏非线性特征。耦合主要表现横滚机动时桨叶挥舞引起俯仰力矩、旋翼旋转时形成的偏航力矩以及俯仰机动情况下所构成的横滚力矩以及前飞速度变化时尾桨拉力变化引起的偏航力矩等等，但无人直升机处于悬停状态、低速飞行等状态时，横、纵向耦合性表现愈加凸显；相反，无人直升机飞行速度处于中低速度时，纵向耦合相对突出。

固有耦合性长期作用于无人直升机通道之间，一旦通道执行机构具备非线性特点，在影响自身通道飞行响应的同时，也在某种程度上对其他通道的响应造成严重的影响。

（3） 模态数量多。无人直升机在飞行过程中，有多重飞行模态可进行随意切换，并且不同模态可进行随意组合，无人直升机完成特殊任务的能力在各种复杂环境条件下得以全面提升。因此，对于飞行控制系统而言，不仅要确保不同飞行模态功能的实现，且还要对当前模态切换机制进行不断完善及优化，即使在模态切换过程中，也要时刻保持高效率、高品质的飞行状态。

2.2 其他关键及难点技术

（1）动力系统

当前国内外无人直升机基本采用活塞式发动机作为动力装置，但从实际应用效果来看，活塞式发动机在应用范围上局域一定的局限性，通常在低速低空无人机中的应用效果显著；小型无人直升机更多的还是使用电池驱动的电动机，起飞质量较小、续航时间小于一小时。

（2）数据链传输系统

从技术组成结构上来看，无人直升机系统的运行离不开数据链传输系统的支撑作用，数据链传输系统在整个运行中承担着对无人直升机的遥控、遥测、传感器传输以及跟踪定位，上行和下行数据链分别对应无人机遥控和执行遥测、数据传输等功能。通常情况下，普通规格的无人直升机在数据链的选择上以定制视距为主，视距和超视距卫通数据链则常被应用于中高空、长航时的无人直升机。且随着记载传感器、定位的精细程度和执行任务的复杂程度越来越高，对数据链的贷款提出更高要求，未来需进一步提升对数据链传输速率的提升。

3 无人直升机编队关键技术和难点技术

3.1 任务分配

无人直升机执行的任务日益复杂及无人直升机性能等要求的提高，对编队任务分配的时效性、处理位置环境能力、求解速度，等提出了更高的要求。任务分配技术的研究正是基于此越来越被重视。

如今的任务分配方法一般都偏重于解决确定条件下的分配问题，而在现实中，因为任务环境的部分可观性，还有传感器和情报信息的误差，未知的对抗、规划时所依赖的环境信息等是不确定的。另外，任务分配实施的结果也可能存在误差，这会对任务的成败形成不可逆的影响。所以，在任务分配过程中尽可能对以上不确定性因素加以考虑，其中对信息的不确定性可以运用概率统计等方法进行处理。

3.2 航迹规划

为了确保复杂环境中无人直升机编队能够安全、快速到达任务区域，降低被敌方雷达捕获、摧毁的概率，需要设计满足一定约束条件及性能指标最优的编队航迹[4]。

综合国内外文献，飞行器快速航迹规划和协同航迹规划都是当前该领域的研究热点，且都产生了大量的研究成果，策略丰富，算法各异。但针对多飞行器编队的在线协同航迹规划问题，由于问题的复杂性，目前还有一些问题有待进一步研究。一方面，需要研究合适的优化机制和协同规划结构，缓解在线计算的时间压力；另一方面，要研究合适的在线快速计算方法。

3.3 编队控制

1）队形设计。在实际任务执行中，多无人机以不同的队形形成编队，如楔队、梯队、横队、纵队和V形等，可以实现协同侦察、防御和进攻等复杂任务。合理有效的队形设计可以延长无人机编队飞行距离、节省燃料消耗、增加编队灵活性，这大大提高其安全性与任务完成率。

2） 队形动态调整。面对复杂环境及任务的突然变化，能够尽可能短时间快速地生成各项性能指标最优的队形，是多无人机协同编队控制队形调整技术好坏的评价指标。恰当的队形变换方案能够提高燃料使用效率、灵活应对突发情况，实现编队的安全快速飞行。

3）编队飞行控制。在多无人机编队执行侦察和防御等任务时，需要多无人机保持一定队形编队飞行到任务执行区域。编队保持的控制方法主leader-follower 方法、基于行为法、虚拟结构法、图论法和基于一致性方法，每种编队方法适应不同环境，各有优缺点。

4）编队重构及壁障。多无人机编队重构包括队形切换及缺少一架或多架无人机时新编队队形的重构，在队形重构过程中必须考虑机间避撞。例如，多无人机编队飞行执行任务时，需要规避雷达、电磁干扰、敌机和较大障碍物，变换合适的队形可以增加任务完成率。实现无人机编队重构的方法有：a） 势能域函数方法； b）滚动时域法；c） 模型预测法；d） 生物算法；e） 最优控制法。

3.4 信息感知和数据融合

无人机通过红外探测仪，摄像机和雷达等机载传感器设备对周围环境进行探测，实现对空地环境的感知。无人机还具有编队内部感知能力，来保持编队构型和实现协同编队飞行，提高多无人机编队安全性和可靠性。无人机将感知信息进行机间共享，通过信息处理与数据融合实现无人机编队协同感知，从而获得更广的探测范围和更加精确全面的环境信息，完成无人机协同编队侦察等任务。多无人机编队协同感知须解决无人机异质传感器多源信息的融合处理问题，实现无人机对环境准确高效的判读。

3.5 编队通信

目前，多数国家仍采用地面站直接控制无人机，构建一种星型拓扑结构。多无人机通信组网的思想是：无人机不完全依赖地面站或卫星等设施的控制，将所有无人机看作一个整体，在多无人机间建立一个无线通信网络，各无人机间相互配合，相互转发指令、交换信息。 该网络打破了无人机之间没有任何联系与合作的传统作战思想，可以提高无人机的综合作战能力，减小作战能耗。

3.6 编队仿真平台

搭建满足多无人机协同编队仿真的多无人机仿真平台，对于加快开发周期，降低多无人机编队试验成本，具有十分重要的意义。当前国内外已有一些针对无人机编队或多无人机仿真系统的研究，主要分为如下4 类。

1） 单系统仿真平台． 利用C++开发出了Multi无人机2 系统[5]，用于协同控制研究。

2）基于HLA（ high level architecture） 架构的分布式系统仿真平台。

3） 自主开发的多飞行器编队分布式虚拟系统仿真平台。该类平台是对除了HLA 架构以外所有的分布式仿真平台的概括。

4） 自主开发的多无人机编队分布式实物系统仿真平台。

4 结论与展望

无人直升机作为信息技术时代的产物，凭借自身结构紧凑、转场灵活、垂直起降等特点，广泛应用于军事、民用以及各类农林业生产，而从其实际发展现状来看，面临着技术和应用的双重压力，需不断打破传统技术形式，积极引进现代化信息技术，推动无人直升机在技术方面的跨越式发展。

通过对近年来国内外多无人机协同编队飞行控制几个关键技术的进展的综述，同时展望了每种关键技术发展趋势，具体得出以下结论：

相对于小型无人直升机单机执行任务，多无人机编队系统可以完成更复杂的任务，并具有高效率、高容错性和内在并行等优点。基于一致性的多无人机编队研究涉及学科众多，具有前沿性，无论对于军事应用还是民事应用都将大有实用价值。

参考文献：

[1]Inge Gronbaek. Architecture for the Internet of Things（IoT）， international conference on sensor technologies andapplications，2008，（802-807）.

[2]罗小元，邵士凯，关新平，等． 多智能体最优持久编队动态生成与控制［J］． 自动化学报，2013，39（ 9） ： 1431 － 1438．

[3]Rodrigo Roman， Pablo Najera， Javier Lopez. Securing theInternet of Things， IEEE Computer，2011，（44/9）.

[4]邢关生，杜春燕，宗群，等． 基于一致性的小型四旋翼机群自主编队分布式运动规划［J］． 控制与决策，2014，29（ 11） ： 2081－2084．

[5]CAMPBELL M E，WHITACＲE W W． Cooperative tracking usingvision measurements on seascan UAVs［J］． Control Systems TechnologyIEEE Transactions on，2007，15（ 4） ： 613－626．

作者简介：刘泽群（1995—），男，江西省，汉族，硕士研究生，助理工程师，智能控制。