仿狼群狩猎空间交互机制的无人机集群合围控制

作     者：张岱峰 段海滨 范彦铭 ZHANG DaiFeng;DUAN HaiBin;FAN YanMing

作者机构：北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院仿生自主飞行系统研究组北京100083 鹏城实验室深圳518000 中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所沈阳110035 

出 版 物：《中国科学：技术科学》 (Scientia Sinica(Technologica))

年 卷 期：2022年第52卷第10期

页      面：1555-1570页

核心收录：

学科分类：0810[工学-信息与通信工程] 08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 

基　　金：科技创新2030“新一代人工智能”重大项目(编号:2018AAA0102403) 国家自然科学基金(批准号:U20B2071,91948204,U1913602,U19B2033) 航空科学基金(编号:20185851022)资助项目 

主　　题：无人机集群 合围控制 狼群智能 交互势场 感知受限 

摘      要：感知范围受限下的无人机集群合围控制不同于传统意义上的集群协同控制问题.受限于感知距离,集群拓扑结构无法始终保证全局拓扑的连通性.尽管人工势场控制模型通过引入吸引与排斥作用提供了一种可能的解决途径,但其理想的节点探测能力要求并不符合实际过程.当集群处于信号干扰下的任务环境中时,部分节点甚至会丧失探测能力,需要依赖相邻节点形成稳定合围,导致集群会自发形成功能强弱不同的异构子群.狼群是一种典型的机会主义捕食群体,擅长依靠团队协作捕获猎物,在狩猎过程中具有明显的空间布局和交互行为特征.结合实证数据分析,提出了一种分层结构的狼群交互动力学模型,利用空间概率分布实现分层交互势场的自适应强度调节.进一步地,基于狼群交互动力学模型,结合一种层次目标观测器,提出了一种无人机集群异构合围控制策略,通过对异构子群进行分层布局和交互强度调节,强化异构节点的交互作用,以提升感知受限条件下的集群合围控制鲁棒性.仿真结果表明,在部分节点出现探测失效的情况下,所提算法保持了较好的合围编队稳定性,同时对机载感知能力的要求相对更低,因而可适用于较为恶劣的任务环境.