噪声和时滞下具有时间和角度约束的多UCAV协同编队控制研究

Systemic confrontation and coordinated attack of many systems are emphasized in modern wars. Cooperative formation attack is more accordance with modern war ideas. But how to realize coordinated attack targets for multi-missile is the hot idea with cooperative formation control strategy. Formation flight and attacking targets are the main two phases during cooperative formation flight of multi-UCAVs with airborne missiles. The three key problems are as follows: Firstly, considering noises, time delays and system uncertainty, a consensus formation control law of multi-UCAVs is designed using consensus and robust control theory. Secondly, a cost function based cooperative collision avoidance and obstacle avoidance method are introduced and a distributed collision avoidance control law is designed based on navigation function. Thirdly, if missiles are multi-UCAVs' payloads, an three dimensional impact time and impact angle control guidance law based on virtual-leader is derived. Multi-missiles can realize cooperative attack with the same time from different angles. All the above approaches will be validated by simulation and experimentation. The achievements can provide theory and technology support and develop coordinated attack of net formation ability for multi-UCAVs.

现代信息化战争越来越强调体系对抗和多系统协同作战，多UCAV协同编队作战是一种更符合现代信息化战争思想的作战方式，如何通过有效的协同编队控制策略支持多UCAV协同攻击多目标，是UCAV控制技术研究的热点。该项目以机载某型导弹的多UCAV为研究对象，将编队协同过程分为编队飞行和攻击目标两个阶段，重点解决三个关键问题：1）考虑多UCAV编队系统内存在噪声、时滞以及通信权重不确定性情况，综合运用一致性和鲁棒控制理论，设计一致性多UCAV协同编队控制律；2）为解决多UCAV编队实时避碰与避障问题，提出基于代价惩罚的实时避障与协调避碰控制方法，并基于偶极导航函数法设计了分布式避碰控制律；3）提出采用基于虚拟领弹的分阶段制导方法，通过设计非线性动态逆三维制导律，实现多导弹以不同攻击角度同时对目标实施协同攻击。并通过仿真实验进行验证，其成果可为提高多UCAV网络化编队协同作战能力提供理论依据和技术支持。

多无人作战飞行器（Unmanned Combat Aerial Vehicle，UCAV）协同编队控制策略支持复杂动态不确定环境下协同侦察、协同监视和对地攻击多目标，满足在时空约束下以最大的成功概率和最低的风险命中目标，产生显著的作战效益，军事理论与应用价值巨大。本项目以多UCAV协同系统为研究对象，主要以巡航编队飞行、在线任务规划和目标攻击三个阶段展开研究，创新性地解决四个关键技术问题： . （1）巡航编队飞行段，解决噪声和时滞下多UCAV一致性协同编队控制问题，有效消减系统噪声、通信时滞、不确定性对编队的影响，对UCAV协同编队控制及编队系统的稳定性进行深入研究，并应用于UCAV协同编队飞行试验中。. （2）巡航编队飞行段，进一步解决多UCAV协同编队飞行过程中实时避碰与避障问题，设计基于代价惩罚的避障与协调避碰控制方法以及基于导航函数的分布式避碰控制律，该控制律通过在线滚动求解优化问题，并通过仿真实例验证有效性。. （3）在线任务规划阶段，解决动态环境下基于时间约束的多UCAV协同目标分配与协同航迹规划问题，满足UCAV在互不碰撞的情况下能同时以不同终端航迹角度到达目标，实现时间与空间的协同，并满足实时性。利用飞行仿真模拟器成功进行实验验证。. （4）目标打击阶段，解决具有攻击时间和攻击角度约束的多导弹(UCAV的机载武器)三维协同制导问题，实现多导弹以不同攻击角度同时对目标实施协同攻击。通过仿真实验进行验证，其成果为研发多导弹同时到达导引系统提供理论和技术支持。. 项目研究成果可应用于无人机任务规划控制系统和编队飞行试验中。应用前景广阔，成果可进一步应用在提高多UCAV网络化编队协同作战能力、基于战术数据链的多UCAV火力控制、电子战一体化及协同作战效能评估方面。项目涉及的协同控制技术具有公共性，既可用于无人作战飞机也可用于其它无人飞行器。