一种基于领导⁃跟随策略的多无人机⁃多无人艇编队协同机制
收稿日期: 2023-10-30
修回日期: 2023-11-21
录用日期: 2023-12-15
网络出版日期: 2023-12-25
基金资助
国家自然科学基金(U2141229)
A multi⁃UAVs and multi⁃USVs formation cooperative mechanism based on leader⁃follower strategy
Received date: 2023-10-30
Revised date: 2023-11-21
Accepted date: 2023-12-15
Online published: 2023-12-25
Supported by
National Natural Science Foundation of China(U2141229)
随着无人系统技术深入的发展，无人集群系统的海空跨域协同问题已成为当前的研究热点，本文针对海空协同下的多无人机（multi-UAVs）-多无人艇（multi-USVs）执行协同任务的前端协同航行问题，基于层次结构式领导-跟随策略开展了多无人机-多无人艇编队协同机制研究。本文首先建立了无人系统跨域集群编队运动模型，以描述跨域集群系统内各运动体的领导跟随关系；针对领航机-领航艇协同航迹规划问题，本文基于所建立的双层栅格化地图模型，建立了多约束条件下的航迹代价函数，并利用改进遗传算法进行求解；针对跨域集群编队协同运动控制问题，基于层次结构式Leader-Follower编队策略，设计了领航机-领航艇异构编队控制器与同构编队运动控制器，并利用模糊控制器对同构编队运动控制器进行了参数整定研究。最后，本文通过仿真实验验证了所设计的多无人机-多无人艇跨域集群协同机制的有效性。
王振威 , 刘凯 , 郭健 , 刘晓鹏 . 一种基于领导⁃跟随策略的多无人机⁃多无人艇编队协同机制[J]. 航空学报, 2023 , 44(S2) : 729791 -729791 . DOI: 10.7527/S1000-6893.2023.29791
As the unmanned system technology continues to advance， the issue of cross-domain cooperation in unmanned cluster systems has become a research hotspot. To address the problem of front-end cooperative navigation of multi-Unmanned Aerial Vehicles （UAVs） and multi-Unmanned Surface Vehicles （USVs） in a sea-air cooperation scenario， this paper conducts research on the multi-UAVs and multi-USVs formation cooperation mechanism based on the hierarchical leader-follower strategy. A motion model for cross-domain cluster formation is established to describe the leader-follower relationships among various entities within the cross-domain cluster system. Regarding the cooperative trajectory planning problem for the Leader-UAV and Leader-USV， a trajectory cost function considering multiple constraints is formulated based on the established double-layer grid map model. The improved genetic algorithm is employed for optimization. In the context of cross-domain cluster formation cooperative motion control， heterogeneous formation controllers for the leader-UAV and leader-USV and homogeneous formation motion controllers are designed based on the hierarchical leader-follower formation strategy. Parameter tuning is performed for the homogeneous formation motion controller using the fuzzy controller. Simulation experiments validate the effectiveness of the proposed cross-domain cooperative mechanism for multi-UAVs and multi-USVs.
| 1 | 刘雷， 刘大卫， 王晓光， 等. 无人机集群与反无人机集群发展现状及展望［J］. 航空学报， 2022， 43（S1）： 726908. |
| LIU L， LIU D W， WANG X G， et al. Development status and prospect of UAV cluster and anti-UAV cluster［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2022， 43（S1）： 726908 （in Chinese）. | |
| 2 | 何玉庆， 秦天一， 王楠. 跨域协同：无人系统技术发展和应用新趋势［J］. 无人系统技术， 2021， 4（4）： 1-13. |
| HE Y Q， QIN T Y， WANG N. Cross-domain collaboration： New trends in the development and application of unmanned systems technology［J］. Unmanned Systems Technology， 2021， 4（4）： 1-13 （in Chinese）. | |
| 3 | WU Y， LOW K H， LV C. Cooperative path planning for heterogeneous unmanned vehicles in a search-and-track mission aiming at an underwater target［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2020， 69（6）： 6782-6787. |
| 4 | HUANG T， CHEN Z， GAO W， et al. A USV-UAV cooperative trajectory planning algorithm with hull dynamic constraints［J］. Sensors， 2023， 23（4）： 1845. |
| 5 | KE C， CHEN H F. Cooperative path planning for air–sea heterogeneous unmanned vehicles using search-and-tracking mission［J］. Ocean Engineering， 2022， 262： 112020. |
| 6 | 白嘉琪， 王彦恺， 邢昊. 无人艇与四旋翼无人机固定时间异构编队控制［J］. 系统工程与电子技术， 2023， 45（4）： 1152-1163. |
| BAI J Q， WANG Y K， XING H. Fixed-time heterogeneous formation control of unmanned boats and quadrotor unmanned aerial vehicle［J］. Systems Engineering and Electronics， 2023， 45（4）： 1152-1163 （in Chinese）. | |
| 7 | LIU H T， WENG P J， TIAN X H， et al. Distributed adaptive fixed-time formation control for UAV-USV heterogeneous multi-agent systems［J］. Ocean Engineering， 2023， 267： 113240. |
| 8 | KE C， CHEN H F， XIE L. Cross-domain fixed-time formation control for an air-sea heterogeneous unmanned system with disturbances［J］. Journal of Marine Science and Engineering， 2023， 11（7）： 1336. |
| 9 | SHAO G M， MA Y， MALEKIAN R， et al. A novel cooperative platform design for coupled USV?UAV systems［J］. IEEE Transactions on Industrial Informatics， 2019， 15（9）： 4913-4922. |
| 10 | LAPANDI? D， PERSSON L， DIMAROGONAS D V， et al. Aperiodic communication for MPC in autonomous cooperative landing ［J］. IFAC-PapersOnLine， 2021， 54（6）： 113-118. |
| 11 | LI W Z， GE Y， GUAN Z H， et al. Synchronized motion-based UAV–USV cooperative autonomous landing［J］. Journal of Marine Science and Engineering， 2022， 10（9）： 1214. |
| 12 | 崔恺， 曾国奇， 林伟， 等. 一种基于图论的机场空域无人机流量控制方法［J］. 北京航空航天大学学报， 2020， 46（5）： 978-987. |
| CUI K， ZENG G Q， LIN W， et al. Flow control method for UAV airport airspace based on graph theory［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics， 2020， 46（5）： 978-987 （in Chinese）. | |
| 13 | 张哲， 吴剑， 代冀阳， 等. 基于改进A-Star算法的隐身无人机快速突防航路规划［J］. 航空学报， 2020， 41（7）： 323692. |
| ZHANG Z， WU J， DAI J Y， et al. Fast penetration path planning for stealth UAV based on improved A-Star algorithm［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2020， 41（7）： 323692 （in Chinese）. | |
| 14 | WANG J K， CHI W Z， LI C M， et al. Neural RRT*： Learning-based optimal path planning［J］. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering， 2020， 17（4）： 1748-1758. |
| 15 | HAN Y H， XIANG H Y， CAO J N， et al. Study on optimization of multi-UAV nucleic acid sample delivery paths in large cities under the influence of epidemic environment［J］. Journal of Ambient Intelligence and Humanized Computing， 2023， 14（6）： 7593-7620. |
| 16 | 葛佳昊， 刘莉， 董欣心， 等. 基于动力学RRT*的自由漂浮空间机器人轨迹规划［J］. 航空学报， 2021， 42（1）： 523877. |
| GE J H， LIU L， DONG X X， et al. Trajectory planning for free floating space robots based on kinodynamic RRT* ［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2021， 42（1）： 523877 （in Chinese）. | |
| 17 | 王庆禄， 吴冯国， 郑成辰， 等. 基于优化人工势场法的无人机航迹规划［J］. 系统工程与电子技术， 2023， 45（5）： 1461-1468. |
| WANG Q L， WU F G， ZHENG C C， et al. UAV path planning based on optimized artificial potential field method［J］. Systems Engineering and Electronics， 2023， 45（5）： 1461-1468 （in Chinese）. | |
| 18 | 张菁， 何友， 彭应宁， 等. 基于神经网络和人工势场的协同博弈路径规划［J］. 航空学报， 2019， 40（3）： 322493. |
| ZHANG J， HE Y， PENG Y N， et al. Neural network and artificial potential field based cooperative and adversarial path planning［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2019， 40（3）： 322493 （in Chinese）. | |
| 19 | 刘鑫， 杨霄鹏， 刘雨帆， 等. 基于GA-OCPA学习系统的无人机路径规划方法［J］. 航空学报， 2017， 38（11）： 321275. |
| LIU X， YANG X P， LIU Y F， et al. UAV path planning based on GA-OCPA learning system［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2017， 38（11）： 321275 （in Chinese）. | |
| 20 | SINGH M K， CHOUDHARY A， GULIA S， et al. Multi-objective NSGA-II optimization framework for UAV path planning in an UAV-assisted WSN［J］. The Journal of Supercomputing， 2023， 79（1）： 832-866. |
| 21 | 魏彤， 龙琛. 基于改进遗传算法的移动机器人路径规划［J］. 北京航空航天大学学报， 2020， 46（4）： 703-711. |
| WEI T， LONG C. Path planning for mobile robot based on improved genetic algorithm［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics， 2020， 46（4）： 703-711 （in Chinese）. | |
| 22 | 李宪强， 马戎， 张伸， 等. 蚁群算法的改进设计及在航迹规划中的应用［J］. 航空学报， 2020， 41（S2）： 724381. |
| LI X Q， MA R， ZHANG S， et al. Improved design of ant colony algorithm and its application in route planning［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2020， 41（S2）： 724381 （in Chinese）. | |
| 23 | LI G X， LIU C， WU L， et al. A mixing algorithm of ACO and ABC for solving path planning of mobile robot［J］. Applied Soft Computing， 2023， 148： 110868. |
| 24 | YU Z H， SI Z J， LI X B， et al. A novel hybrid particle swarm optimization algorithm for path planning of UAVs［J］. IEEE Internet of Things Journal， 2022， 9（22）： 22547-22558. |
| 25 | LIU Y， ZHANG X J， ZHANG Y， et al. Collision free 4D path planning for multiple UAVs based on spatial refined voting mechanism and PSO approach［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2019， 32（6）： 1504-1519. |
| 26 | 阚平， 姜兆亮， 刘玉浩， 等. 多植保无人机协同路径规划［J］. 航空学报， 2020， 41（4）： 323610. |
| KAN P， JIANG Z L， LIU Y H， et al. Cooperative path planning for multi-sprayer-UAVs［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2020， 41（4）： 323610 （in Chinese）. | |
| 27 | ZHANG M H， HAN Y H， CHEN S Y， et al. A Multi-Strategy Improved Differential Evolution algorithm for UAV 3D trajectory planning in complex mountainous environments［J］. Engineering Applications of Artificial Intelligence， 2023， 125： 106672. |
| 28 | 王晶， 顾维博， 窦立亚. 基于Leader-Follower的多无人机编队轨迹跟踪设计［J］. 航空学报， 2020， 41（S1）： 723758. |
| WANG J， GU W B， DOU L Y. Trajectory tracking design of multi-UAV formation based on Leader-Follower［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2020， 41（S1）： 723758 （in Chinese）. | |
| 29 | CHEN H， WANG X K， SHEN L C， et al. Formation flight of fixed-wing UAV swarms： A group-based hierarchical approach［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2021， 34（2）： 504-515. |
| 30 | LI J C， LIU J M， HUANGFU S Q， et al. Leader-follower formation of light-weight UAVs with novel active disturbance rejection control［J］. Applied Mathematical Modelling， 2023， 117： 577-591. |
| 31 | 杨明月， 寿莹鑫， 唐勇， 等. 多四旋翼无人机编队保持与避碰控制［J］. 航空学报， 2022， 43（S1）： 726913. |
| YANG M Y， SHOU Y X， TANG Y， et al. Formation maintenance and collision avoidance control of multi-quadrotor UAV［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2022， 43（S1）： 726913 （in Chinese）. | |
| 32 | 李正平， 鲜斌. 基于虚拟结构法的分布式多无人机鲁棒编队控制［J］. 控制理论与应用， 2020， 37（11）： 2423-2431. |
| LI Z P， XIAN B. Robust distributed formation control of multiple unmanned aerial vehicles based on virtual structure［J］. Control Theory & Applications， 2020， 37（11）： 2423-2431 （in Chinese）. | |
| 33 | 徐博， 张大龙. 基于量子行为鸽群优化的无人机紧密编队控制［J］. 航空学报， 2020， 41（8）： 323722. |
| XU B， ZHANG D L. Tight formation flight control of UAVs based on pigeon inspired algorithm optimization by quantum behavior［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2020， 41（8）： 323722 （in Chinese）. | |
| 34 | TAN G G， ZHUANG J Y， ZOU J， et al. Coordination control for multiple unmanned surface vehicles using hybrid behavior-based method［J］. Ocean Engineering， 2021， 232： 109147. |
| 35 | 向乾， 张晓辉， 王正平， 等. 适用无人机的小型燃料电池控制方法［J］. 航空学报， 2021， 42（3）： 623960. |
| XIANG Q， ZHANG X H， WANG Z P， et al. Control method of small fuel cells for UAVs［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2021， 42（3）： 623960 （in Chinese）. | |
| 36 | PUSSENTE G A N， DE AGUIAR E P， MARCATO A L M， et al. UAV power line tracking control based on a type-2 fuzzy-PID approach［J］. Robotics， 2023， 12（2）： 60. |
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