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有翼飞行器编队协同突防构型和通信拓扑优化方法

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北京航空航天大学学报 2024年

作者：徐星光于江龙郭鸿飞任章北京机电工程研究所北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院

有翼飞行器编队构型和通信拓扑优化在编队协同突防应用场景下有着迫切需求。针对编队构型优化中的参考基准选择和飞行器/拦截力量/战场之间关系的建模问题，提出一种基于突防通道的编队构型优化设计方法。通过通信拓扑优化获得领导者飞... 详细信息

有翼飞行器编队构型和通信拓扑优化在编队协同突防应用场景下有着迫切需求。针对编队构型优化中的参考基准选择和飞行器/拦截力量/战场之间关系的建模问题，提出一种基于突防通道的编队构型优化设计方法。通过通信拓扑优化获得领导者飞行器角色，先使用各组长的几何中心、后使用领导者飞行器作为编队构型的参考基准，设计出时变编队构型的显式表达式，摆脱了对事先获取领导者飞行器先验信息的依赖。建立有翼飞行器突防通道模型，保证有翼飞行器在各战场栅格处的探测、反探测、机动规避能力优势。针对通信拓扑优化需要兼顾信息共享和均衡网络负载的问题，在编队构型约束下构建通信拓扑，提出基于最小生成树和最优刚性图的通信拓扑设计优化方法，给出基于战场威胁态势的拓扑切换策略，实现了编队构型和通信拓扑的优化。以有翼飞行器协同突防探测拦截威胁为例，验证了所设计优化方法的有效性。

关键词：有翼飞行器编队协同突防编队构型通信拓扑优化

有翼飞行器有限时间时变编队跟踪控制方法研究

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战术导弹技术 2024年第3期 123-135页

作者：徐星光郭鸿飞张科南任章北京机电工程研究所北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院

有翼飞行器执行编队协同突防任务时，领导者飞行器需要通过变轨机动飞行提高突防概率，要求飞行器编队能够快速调整，提升编队保持的整体效果。针对有翼飞行器编队协同突防作战中编队保持的任务目标，研究了多枚有翼飞行器有限时间时变... 详细信息

有翼飞行器执行编队协同突防任务时，领导者飞行器需要通过变轨机动飞行提高突防概率，要求飞行器编队能够快速调整，提升编队保持的整体效果。针对有翼飞行器编队协同突防作战中编队保持的任务目标，研究了多枚有翼飞行器有限时间时变编队跟踪控制问题。在领导者飞行器具有未知输入条件下，利用积分滑模控制方法、自适应控制方法，基于邻居飞行器相互间的局部信息设计了有限时间时变编队跟踪控制器。基于有限时间控制性理论，证明了时变编队跟踪误差在有限时间内的收敛性。采用数值仿真对比的方法，验证了有限时间时变编队跟踪控制方法在有翼飞行器编队协同突防中的可行性与有效性。

关键词：有翼飞行器有限时间编队跟踪控制未知输入积分滑模编队保持协同突防

有向切换拓扑条件下针对机动目标的分布式协同制导方法

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现代防御技术 2024年第2期52卷 104-114页

作者：董晓飞郝明瑞任章北京机电工程研究所北京100074 复杂系统控制与智能协同全国重点实验室北京100074 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100083

针对多飞行器对机动目标的协同制导问题,在视线坐标系下建立飞行器-目标相对运动模型,在此基础上将协同制导问题分为视线角协同以及命中时间协同2个子问题。基于扩张状态观测器分别在视线方向以及视线法向设计了分布式协同制导律。通过... 详细信息

针对多飞行器对机动目标的协同制导问题,在视线坐标系下建立飞行器-目标相对运动模型,在此基础上将协同制导问题分为视线角协同以及命中时间协同2个子问题。基于扩张状态观测器分别在视线方向以及视线法向设计了分布式协同制导律。通过一致性分析证明了所设计的制导律在有向切换拓扑条件下的收敛性,并通过数值仿真的方式进一步验证了制导律的有效性。

关键词：机动目标分布式协同制导扩张状态观测器一致性多飞行器

无人机-无人车跨域编队跟踪的分布式博弈策略

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无人系统技术 2024年第2期7卷 28-38页

作者：石哲鑫冯永进于江龙董希旺李清东任章北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191 北京航空航天大学人工智能研究院北京100191 北京航空航天大学无人系统研究院北京100191 北京航空航天大学沈元荣誉学院北京100191

针对无人机-无人车跨域系统的编队跟踪与扰动抑制问题,开展了领-从架构下考虑存在扰动的跨域编队跟踪的分布式博弈策略研究。首先,建立了含扰动的无人机-无人车编队跟踪模型,每架无人机只使用局部信息来最小化自己的性能指标,而整个跨... 详细信息

针对无人机-无人车跨域系统的编队跟踪与扰动抑制问题,开展了领-从架构下考虑存在扰动的跨域编队跟踪的分布式博弈策略研究。首先,建立了含扰动的无人机-无人车编队跟踪模型,每架无人机只使用局部信息来最小化自己的性能指标,而整个跨域系统试图寻求基于通信拓扑的最优决策。其次,提出了一种最差扰动下的博弈策略,并严格证明了系统中存在纳什均衡。然后,引入了一个分布式终端状态观测器,得到了所提出博弈策略的局部实现。最后,搭建了一套无人机-无人车跨域系统验证平台,并通过一个跨域编队跟踪应用案例验证了所提出分布式博弈策略不仅可以有效地抑制扰动,还能形成期望编队队形,并且性能指标在数值仿真和实物试验下的差异不超过0.6%,证明所提出分布式博弈策略有良好的实用性。

关键词：跨域系统编队跟踪扰动抑制博弈策略纳什均衡分布式观测器无人机-无人车

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微/纳米塑料对厌氧消化系统影响的研究进展

微生物学报 2024年

作者：李浩林任章孔祥聿任浩吕镇梅浙江大学生命科学学院生命系统稳态与保护教育部重点实验室

生物质废弃物联合剩余活性污泥(waste activated sludge， WAS)进行厌氧消化(anaerobic digestion， AD)是WAS稳定化和产甲烷的一种有效稳定的技术，可有效减少WAS体积，提高WAS脱水效果，并且具有稳定性好、能耗低、产沼气的特点，因... 详细信息

生物质废弃物联合剩余活性污泥(waste activated sludge， WAS)进行厌氧消化(anaerobic digestion， AD)是WAS稳定化和产甲烷的一种有效稳定的技术，可有效减少WAS体积，提高WAS脱水效果，并且具有稳定性好、能耗低、产沼气的特点，因而被广泛应用。然而AD过程容易受到外部因素如微塑料(microplastics， MPs)或纳米塑料(nanoplastics， NPs)的影响，从而导致AD效率降低甚至崩溃。AD过程的稳定运行需要微生物菌群之间相互依存、相互作用，使其处于动态的平衡状态，噬菌体在此平衡过程占有重要的地位，其不仅能够调控污泥菌群结构和控制能量的流向，而且能够与细菌、古菌附着在MPs和NPs上进行传播，但在以往的MPs和NPs研究中往往被忽视。本文综述了不同类型、尺寸的MPs和NPs对AD系统影响的研究进展，并聚焦于厌氧系统中微生物群落间，尤其是细菌、古菌与噬菌体的生态关系，对MPs和NPs对微生物群落的影响与改变提出了不同的见解，并展望了MPs和NPs对AD系统影响方面的未来研究方向。

关键词：微塑料纳米塑料厌氧消化微生物群落噬菌体

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人与无人机集群多模态智能交互方法

航空学报 2022年第S1期43卷 129-142页

作者：苏翎菲化永朝董希旺任章北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191 北京航空航天大学人工智能研究院北京100191

针对人与无人机集群交互式协同感知问题,借助深度学习技术,构建了基于语音和手势双模型自主识别集群编队协同控制的交互框架,并提出了一种基于双通道切换的通道融合机制,从而实现多模态交互。使用百度云平台基于流式多级截断注意力(SML... 详细信息

针对人与无人机集群交互式协同感知问题,借助深度学习技术,构建了基于语音和手势双模型自主识别集群编队协同控制的交互框架,并提出了一种基于双通道切换的通道融合机制,从而实现多模态交互。使用百度云平台基于流式多级截断注意力(SMLTA)的语音识别模型,采用深度学习平台进行了自训练,在应用场景下的准确率由80.10%提升至97.98%。结合Kinect V2的深度信息与骨骼信息,构建与训练了基于特征融合的卷积神经网络(CNN)手势识别模型,平均精确率为98.33%,相较于传统决策树模型提升了1.16%,相较于传统CNN模型提升了0.33%。最后,在机器人操作系统(ROS)-Gazebo训练场景下进行了仿真验证和实物验证。实验结果表明:提出的交互框架能有效控制无人机集群进行编队,语音通道、手势通道和通道切换的指令执行成功率均达90%以上,且具有较高的交互效率。

关键词：深度学习人机交互无人机集群语音识别手势识别

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固定翼无人机编队构型与通信拓扑优化

系统工程与电子技术 2022年第9期44卷 2936-2946页

作者：徐星光王晓峰姚璐任章北京机电工程研究所北京100074 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191 复杂系统控制与智能协同技术重点实验室北京100074

本文研究了考虑攻防对抗态势与最小信息流要求的固定翼无人机(unmanned aerial vehicles,UAVs)编队构型与通信拓扑优化问题。建立了编队构型指标体系,给出了大规模集群分层编队构型设计模型和编解码方法,提出了基于态势场的队形模型,采... 详细信息

本文研究了考虑攻防对抗态势与最小信息流要求的固定翼无人机(unmanned aerial vehicles,UAVs)编队构型与通信拓扑优化问题。建立了编队构型指标体系,给出了大规模集群分层编队构型设计模型和编解码方法,提出了基于态势场的队形模型,采用粒子群算法开展了队形参数优化。建立了通信网络拓扑效能指标体系,提出了通信代价模型,给出了基于Q学习的网络连通性控制算法。仿真算例验证了所提方法的有效性。

关键词：固定翼无人机编队构型通信拓扑

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切换拓扑下异构无人集群编队-合围跟踪控制

航空学报 2023年第2期44卷 252-267页

作者：魏志强翁哲鸣化永朝董希旺任章复旦大学工程与应用技术研究院上海200433 航天三院创新研究院北京100074 北京航空航天大学人工智能研究院北京100191 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191

针对异构无人集群存在层内不同协同控制目标以及层间协同耦合的控制问题,提出了“编队-合围跟踪”控制的定义与框架,采用具有时变输入的跟踪-领导者来生成集群系统的整体参考轨迹,克服了现有编队-合围控制中无法有效控制集群整体宏观运... 详细信息

针对异构无人集群存在层内不同协同控制目标以及层间协同耦合的控制问题,提出了“编队-合围跟踪”控制的定义与框架,采用具有时变输入的跟踪-领导者来生成集群系统的整体参考轨迹,克服了现有编队-合围控制中无法有效控制集群整体宏观运动的缺陷。对于存在切换拓扑的高阶异构集群系统,基于分布式鲁棒自适应估计技术以及预先定义的合围控制策略,利用邻居局部信息交互构造了分布式编队-合围跟踪控制器,给出了分层耦合情况下控制器的多步设计方法。采用共同李雅普诺夫稳定性理论,证明了切换拓扑条件下异构集群实现输出编队-合围跟踪的充分条件。通过无人机-无人车异构集群的仿真例子,验证了所提出的编队-合围跟踪控制方法的有效性。

关键词：异构集群编队控制合围控制跟踪控制分布式控制切换拓扑

多飞行器攻击时间一致性协同制导进展综述与展望

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北京航空航天大学学报 2022年第9期48卷 1836-1844页

作者：董希旺于江龙化永朝李清东任章北京航空航天大学人工智能研究院北京100083 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100083

攻击时间一致性协同制导是协同制导的一个重要分支。综述了多飞行器攻击时间一致性协同制导的主要研究成果和方法分类。对攻击时间一致性协同制导的战术意义进行了分析;按照目标的运动形式,分为对固定目标的攻击实现一致性协同制导和对... 详细信息

攻击时间一致性协同制导是协同制导的一个重要分支。综述了多飞行器攻击时间一致性协同制导的主要研究成果和方法分类。对攻击时间一致性协同制导的战术意义进行了分析;按照目标的运动形式,分为对固定目标的攻击实现一致性协同制导和对运动/机动目标的协同制导2类问题;归纳了国内外对这2类协同制导问题的主要研究成果,从研究方法层面综述各种协同制导方法的优缺点及其适应的问题场景;对攻击时间一致性协同制导方向的相关技术挑战进行了总结,并对未来发展方向进行展望。

关键词：协同制导攻击时间一致性攻击时间一致性跟踪通信