《无人机集群作战协同控制与决策》甄子洋，江驹，孙绍山，王波兰|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《无人机集群作战协同控制与决策》

【作　者】甄子洋，江驹，孙绍山，王波兰

【丛书名】无人系统科学与技术丛书

【页 数】 300

【出版社】 北京：国防工业出版社 , 2022.01

【ISBN号】978-7-118-12354-8

【价 格】148.00

【分 类】无人驾驶飞机-集群-作战-研究

【参考文献】 甄子洋，江驹，孙绍山，王波兰. 无人机集群作战协同控制与决策. 北京：国防工业出版社, 2022.01.

图书封面：

图书目录：

《无人机集群作战协同控制与决策》内容提要：

本书共分10章，具体内容安排如下：第1章“绪论”，主要概述了无入机的发展历程，阐述了多无人机编队控制、多无人机协同控制与决策、无人机集群协同控制与决策的基本概念和国内外发展现状。第2章“多无人机编队飞行控制”，主要建立了无人机的数学模型，阐述了几种典型的飞行控制方法，建立了编队相对运动学模型，研究了编队飞行的队形集结、队形保持、队形重构与编队自适应控制技术。第3章“多无人机协同航迹规划”，主要研究了二维空间下的单机航迹规划、多无人机协同离线航迹规划和在线航迹规划，以及三维空间下的多无人机协同航迹规划。第4章“多无人机协同搜索”，主要研究了基于滚动时域优化的动态目标协同搜索，以及基于粒子群优化的静止目标协同搜索。第5章“同构多无人机协同察打”，主要研究了考虑威胁躲避的协同察打、考虑航程约束的协同察打以及考虑动态目标的协同察打。第6章“异构多无人机协同察打”，主要研究了以侦察型和察打型无人机组成的多无人机协同察打离线和在线任务规划。第7章“多无人机协同空战决策”，主要研究了多无人机协同空战威胁评估、智能目标分配以及自主机动决策。第8章“无人机集群自组织系统”，主要描述了生物群体自组织行为特征，阐述了自组织系统的定义和规范，概述了典型的无人机集群自组织系统模型，研究了基于行为规则的无人机集群自组织系统模型。第9章“无人机集群协同搜索与察打”，主要研究了无人机集群协同搜索与无人机集群协同察打。第10章“无人机集群协同对抗与饱和攻击”，主要研究了无人机集群协同对抗与无人机集群饱和攻击。

《无人机集群作战协同控制与决策》内容试读

第1章

绪论

1.1无人机

无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)主要指没有飞行员驾驶、使用气动力提供升力、可自主飞行或远程驾驶、可消耗或可回收、可携带致命或非致命性有效载荷的机动飞行器。相比于有人机，无人机的生产、运行、维护成

本较低，抗压作战能力强，不易造成操作人员伤亡，因此适合用于执行3D

(Dull,Dirty and Dangerous)任务，即枯燥、肮脏和危险任务。其中，枯燥任务是指需要具备长航时的任务，如监视；肮脏任务是指可能接触不安全环境的任务，如大规模杀伤性武器影响区；危险任务主要是指对敌防空压制(Suppression of Enemy Air Defenses,SEAD)等任务。

无人机体系庞大，分支众多。军事领域主要涉及作战无人机、察打一体化无人机和支援保障无人机等几大类型。其中，作战无人机可细分为无人战斗机、无人轰炸机和无人攻击机，负责对敌方目标进行攻击和摧毁；察打一体化无人机用来实施战术战役级别的监视侦察、目标定位等任务，必要时可以对敌方目标进行攻击和摧毁；支援保障无人机用于为地面作战部队提供信息、情报、补给等方面的支援。无人机还可用于执行情报、监视与侦察、指挥与控制、通信、武装防御、大规模杀伤性武器、战区防空导弹防御、对敌防空压制、战场搜索救援、扫雷、禁毒、心理战、全天候/夜间打击、火力对抗、反潜战等多种任务。

1.1.1

发展历程

无人机最早出现在第一次世界大战时期，第二次世界大战后，不少军事强

001

无人机集群作战协同控制与决策

国将退役的飞机改装成靶机，开启了近代无人机发展的先河。

1917年，Cooper和Sperry发明了第一台自动陀螺稳定器，能够使得飞机保持平衡向前飞行。在此基础上，通用公司完成了“凯特灵”空中鱼雷的设计与制造。该无人机载重136kg,机翼可拆卸，可从装有滚轮的手推车起飞，在第一次世界大战期间接受了大量美军订单。

1935年，英国研制出“蜂王”号无人机，这是第一架能够回到起飞点并重复利用的无人机，最高飞行高度可达5km,最高速度161km/h,在英国皇家空军服役到1947年。

1944年，德国工程师Fieseler设计了“复仇者”1号无人机，用于攻击非军事目标，速度可达756km/h,最高搭载907kg的导弹，最远可飞行241km。

1955年，瑞安航空公司制造的瑞安XQ-2“火蜂”号进行首次试飞，这是

世界上首架喷气式无人机，主要用于情报收集、无线电监控等任务。

1986年，RQ-2A“先锋”号无人机首飞成功。该机通过火箭助力起飞，

起飞质量189kg,速度可达175km/h,飞机能够漂浮在水面，通过海面降落进行回收。它曾经用于监视、侦察等任务，能够为地面站操作人员提供目标及战场的实时画面。

1994年，通用原子公司研制出MQ系列无人机，其中MQ-1“捕食者”和

MQ-9“死神”均为察打一体化中空长航时无人机，如图1-1所示。

(a)MQ-1“捕食者

(b)MQ-9“死神”

图1-1常用军用无人机

2001年，诺斯罗普·格鲁曼公司开始研发R0-4“全球鹰”无人机，该机

为高空长航时无人机，能够完成跑道起降。该无人机服役于美国空军，装备了综合传感器，用于完成情报收集、侦察以及监视等任务。

海湾战争后，世界各国逐渐意识到无人机在作战中的优势，将各种新技术应用到无人机的研发中，如将隐身技术应用到无人机上，使其从实时战术侦察向空中预警方向发展。目前军用无人机中应用较广的是支援保障无人机、察打

一体化无人机等。

002

第1章绪论

2010年4月，美国陆军发布《美国陆军无人机系统2010一2035路线图》，总结了美国陆军在全范围作战中如何使用、发展和应用无人机系统，解释了作战功能的概念，力图通过综合实验和测试对新技术进行评估山。该路线图将25年内的无人机发展分为3个阶段：近期发展阶段(2010一2015年)，为了满足陆军作战需求，需要无人机具备智能的自主侦察监视能力，主要利用远程多

用途无人机、MQ-5B“猎人”无人机、“阴影”无人机和RQ-11“大乌鸦”无

人机：中期发展阶段(2016一2025年)，将多用途无人机系统用于战术层面，为陆军行动提供支援网络、运输保障等各个方面的支持：远期发展阶段(2026一2035年)，提高无人机的续航和携带载荷能力，同时尽可能减小无人机的尺寸、重量和动力需求，发展垂直起降无人机，使无人机能够适用于全天候条件，并加强无人机集群能力。

20世纪50年代后期，我国开始投入无人机的研究中。1959年1月，我国第一架无人机“北京”5号试飞成功。北京航空航天大学组织研究人员设计了无人驾驶控制系统，并将其用于“安”-2飞机上，操作员通过遥控完成了从起飞、下滑、着陆到滑跑的全过程试验。

1966年，大型喷气式高亚声速无人机CK-1“长空”1号首飞成功。随后，

南京航空航天大学积极投入到该机型的研制与改进中，并于1976年完成CK-1

中高空靶机的定型，为部队提供打靶、防空训练。该机为多款改进型号提供了

原型，核试验取样机CK-1A完成了我国一次核试验的穿云取样飞行，CK-1B

低空型靶机能够完成低空巡航，CK-1C大机动型靶机能够完成70°~77°的高速

水平大机动飞行。

进入21世纪，我国的无人机技术进入井喷式发展，历次航展中展示了多种型号无人机，不仅享誉国内，甚至在海外市场也占据了一席之地。中国航天科技集团公司第十一研究院研制的“彩虹”系列无人机已经形成较为完备的

应用体系。“彩虹”-3A集侦察、攻击于一体，可以对地面静止和动态目标进

行侦察和精确打击，攻击精度可达1.5m,具有一定超低空突防和隐身性能，是国内首款批量出口的攻击型无人机。“彩虹”-4着眼于持续滞空压制的应用场景，最大续航时间提升到35h,可以携带更多的武器载荷，具有良好的中空长航时性能，可以实现对海面目标的侦察打击，其整体性能指标堪比美国

“捕食者”-A无人机。2017年，“彩虹”-5实现量产，在前代型号的基础上

其载重能力大幅提升，最多可挂载16枚空地导弹，最大载荷高达1t,得以搭载更为优秀的中型多功能对海雷达、电子战设备等，同时，机上搭载了余度飞控系统，极大增强了安全性能，作为大型“察打一体”无人机，受到了世界各国的广泛关注。

003

无人机集群作战协同控制与决策

2015年，国务院印发《中国制造2025》，十大重点领域提及无人机产业的发展。2016年，国务院印发《十三五国家战略性新兴产业发展规划》，首次将无人机产业提升到国家战略层面。在国家的大力推动下，依托国内高校及科研机构，我国的无人机行业将迎来前所未有的发展势头。

1.1.2

智能自主控制

美国无人系统自主等级(Autonomy Levels For Unmanned System,ALFUS)工作组将自主定义为：无人系统通过自身的探测、感知、分析、通信、规划、决策和行动能力，实现指挥人员下达的作战指令2。

无人机能够进行独立工作，但其控制权限中须考虑人的因素。无人机一般有3种工作模态：自主（自动）模态、人工干预模态和人工操纵模态。操作员根据实时环境情况与任务需求对工作模态进行设置与选择。

(1)自主（自动）模态：是指按照操作人员制定的规则、理念、思路进行工作，监督无人机的飞行，无人机系统一般情况下默认以该模式运行。

(2)人工干预模态：是指在自主模态下，操作人员通过施加一个增量，在线修正自主飞行模态的偏差。

(3)人工操纵模态：是指无人机发生故障无法自主运行的应急条件下」由操作人员直接操纵飞机。由于操作人员难以准确判断飞机的实时运动状态，因此一般情况下，人工操纵难以保证飞机的控制效果。

无人机按任务需求自主生成控制指令完成操纵过程，操作人员对飞机的飞行情况及相关载荷进行实时监控，并作出适度的修正，应急情况下，操作人员接管飞机，进行应急处理。

美国空军研究实验室(Air Force Research Laboratory,AFRL)根据观察一判断一决策一执行(Observe-Orient-Decide-Act,OODA)模型，制定了无人机自主控制等级发展路线图，将无人机自主控制能力分为10个等级，如图1-2所示[3

1~3级是无人机个体安全飞行等级，定义为“高可靠地活着”。无人机能够安全飞行，高度、速度和姿态等状态是安全的；具备防撞能力，能自主安全地规避障碍物：具备空中加受油能力，确保无人机能量充足；具备故障重构和自修复能力以及应急安全着陆能力。

4~7级是无人机多机协同等级，定义为“高品质地工作”。无人机能够实现四维导航，进行态势感知；能够实现航迹规划与重规划；进一步实现任务规划与重规划

004

第1章绪论

全自主集群r10

机载战略目标9

分布式控制

无人旋翼战斗机。

多机战术目标7多机战术重规划6

空军无人战斗机。

。海军无人战斗机

多机协同上5机载航迹重规划4

故障自修复和飞行环境自适应3

。“全球鹰"

实时故障诊断

“捕食者”

遥控引导

6“先锋”

1965197519851995200520152025

年份

图1-2美国无人机自主控制等级划分

8~10级是无人机集群协同等级，定义为“为集体使命高效地工作”。无人机具有编队飞行能力、有人/无人协同作战能力、群体感知与态势共享能力以及集群联合作战能力。

在无人机的自主控制方面，国外研究机构已经取得一系列成果。华盛顿大学的Rydsyk等提出了一个基于知识水平的自主控制模型，充分利用了全局状态、局部状态和飞机状态作为信息来源，成功地在有限领域内实现了无人机的自主控制，其架构如图1-3所示[)。规划系统综合考虑障碍物、燃料、天气等因素，为无人机规划航迹，并分配侦察、搜索等任务。

任务

规划

轨迹

引导与

系统

控制

无人机

局部

全局

生成

信息

信息

无人机状态

局部状态

全局状态

图1-3 Rydsyk三级自主控制架构

麻省理工学院的Reynolds建立了动作选择一转移一移动(Action Selection-

Steering-.Locomotion)的三级架构，实现了对智能体的自主控制，如图1-4所示)。动作选择层由任务规划模块实现，根据作战需求和目标情况，为无人机进行规划。转移层将任务分解为靠近目标、远离目标、避障等子任务，通过无人机飞行控制模块，生成控制指令。移动层基于无人机传感器、执行器等机构

005

···试读结束···