异构协同多导弹分布式模型预测控制理论与方法

To meet the key technical requirement of informationalized network centric warfare, the autonomous cooperative control theory and approach for heterogeneous missiles will be studied, which takes advantage of interdisciplinary knowledge including autonomous flight control, multi-agent collaboration, and distributed computation and optimization. The main research works and contributions are summarized as follows: 1) the framework of distributed cooperative control for heterogeneous missiles will be established on the basis of hierarchical behavior of biological populations. The influence from individual members with different task roles, sensing abilities and communication ranges to the control performance of whole heterogeneous missiles will be studied. The hierarchy-dependent distributed model predictive control approach will be proposed such that the spatiotemporal coordination-oriented modeling and control of heterogeneous missiles can be solved; 2) the event-triggered mechanism for asynchronous coordination will be established in consideration of the local information and hierarchical topology of heterogeneous missiles. The influence from system state errors and Lyapunov convergence to distributed model predictive control will also be studied. The event-triggered distributed model predictive control approach will be proposed such that the computational dependency for cooperative control of multiple missiles can be decreased to the greatest extent. The effective approach of information sharing, resource complementation, and tactical cooperation will be explored to provide theoretical reference for autonomous cooperative control of heterogeneous missiles.

面向信息化网络中心战的关键技术需求，融合自主飞行控制、多智能体协作、分布式计算与优化等交叉学科知识，研究异构多导弹自主协同控制理论与方法。项目的主要内容和创新点包括：①结合生物群体涌现出的层级关系和行为特点，建立异构多导弹分布式协同控制框架，探索不同任务角色、感知能力、通信范围的导弹个体其行为方式对整体控制性能的影响规律，提出基于层级引领的分布式模型预测控制方法，以解决面向时空协调运动的异构多导弹系统建模与控制问题；②结合异构多导弹个体局部信息条件和层级拓扑关系，建立适用于异步协调控制的事件触发机制，分析系统状态误差和Lyapunov收敛性对分布式模型预测控制的影响规律，提出基于事件触发的异构多导弹主动异步协调控制方法，以实现分布式多导弹协同控制对优化计算的最小依赖。通过本项目的研究，初步探索得到异构多导弹信息共享、资源互补和战术协同的有效途径，为异构多导弹自主协同控制研究提供理论参考。

传统的协同控制理论与方法不能完全满足异构无人系统复杂多样的作战需求。本项目以信息化网络中心战为背景，融合自主飞行控制、人工智能、分布式计算与优化等交叉学科知识，开展异构飞行器建模、优化与控制方法研究。1）提出了基于事件触发的多飞行器主动异步模型预测控制方法。设计了分布式模型预测控制框架，通过群体智能优化算法求解有限时域的最优控制问题。将虚拟目标导引方法集成到分布式模型预测方法中以实现轨迹跟踪和避障。建立了一种考虑预测状态误差和代价函数收敛的事件触发机制以提升协调控制效率，相对于传统方法，可降低分布式协调控制计算量。2）提出了一种基于异构角色的分布式时空协调控制方法。讨论了领航者、协调者和跟随者等异构角色的运动规律和作用，设计了基于异构角色的代价函数以提升飞行器协调控制效能。建立了适应不同飞行器角色的时空运动协调策略，探索了不同任务角色、感知能力、通信范围的异构个体行为方式对整体控制性能的影响规律，可有效实现飞行器时空运动协调和冲突消解。研究成果在Chinese Journal of Aeronautics、ISA Transactions 、Mechanical Systems and Signal Processing 、Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering等权威SCI期刊发学术表论文9篇（通讯/第一作者7篇；基金第一标注8篇），1篇论文入选Chinese Journal of Aeronautics最受关注论文，1篇论文入选F5000中国科技期刊顶尖学术论文；参与ICGNC国际学术会议3人次；授权国家发明专利2项；培养博硕士研究生7名。