第2期 齐小刚，等：多约束下多无人机的任务规划研究综述 ·205· 机作为一种可重复使用的飞行器，以其结构简 燃料限制等约束，规划出一条可飞、可行和安全 单、续航时间长、造价低、隐蔽性强和安全性高等 的航迹。任务规划按时间划分有离线任务规划和 优势，广泛地应用在信息化战争中执行监视、侦 实时在线任务规划：按规划的对象划分有单无人 察、攻击、战场评估、精确打击、充当诱饵等任 机任务规划和集群无人机系统任务规划。按实现 务，极大地提高了部队的指挥控制和多兵种协作 方式划分有手动任务规划和自动任务规划。手 作战的能力。早在越南战争、中东战争、科索沃 动任务规划是指规划人员按照已有的信息和任务 战争、海湾战争及阿富汗战争中，无人机以其出 要求，辅助计算机来确定无人机的路径、目标要 色的表现受到世界各国的广泛关注。 求和载荷配置。自动任务规划指完全由规划系统 美国是无人机任务规划起步最早、发展最快、 自动生成。从空间角度划分有全局任务规划和局 技术最先进的国家，在国外无人机技术发展的同 部任务规划。全局任务规划多用于目标静止或障 时，中国也先后开启了无人机任务规划的研究。 碍物已知的战场环境；局部任务规划多用于复杂 其中，北京航空航天大学、南京航空航天大学、西 动态环境下。 北工业大学和哈尔滨工业大学等高校先后成立了 本文在全面收集、阅读现有文献基础上，论 无人机相关研究机构，并取得了可喜的研究成 述了3种求解无人机任务分配的方法；4种求解 果。自2000年以来一些民用无人机投入研制，无 路径规划的方法；分析对比了相应典型算法的基 人机任务规划系统也从最初的单平台向多平台交 本原理和优缺点；综合考虑了可飞性、时限性、任 互发展，目前有国防科技大学的多无人机协同任 务均衡、威胁规避和优先级等约束指标，同时，也 务资源分配与编队轨迹优化研究)，哈尔滨工业大 对初步规划出的路径的平滑处理方法进行了探 学的多无人机系统的协同目标分配和航迹规划方 讨；最后，指出无人机任务规划研究存在的不足 法研究、西北工业大学的无人机航路规划方法研 和亟待进一步解决的问题。 究和北京航空航天大学的无人机路径规划技术 研究等。此外，2015年我国在纪念抗战70周年 1任务规划 阅兵式上，首次展示了作战无人机，这表明了我国 无人机系统相较于单架无人机具有更好的容 无人机的发展已经走向高新技术的前沿。 错性和鲁棒性，可以通过各无人机之间的信息交 随着全球格局的不断演变、军事科技的飞速 流，提高完成任务的效率：在多变的战场环境中， 发展，武器装备由机械化发展为信息化，战争方 各无人机可以实时调整路线，规避障碍和威胁， 式较以前有了翻天覆地的变化。单无人机执行任 提高作战效能，增强规划路径的可靠性。。 务的局限性，使得多机协同作战成为当下研究的 无人机系统作为一种典型的多智能体系统， 热点。多机协同执行高危任务，一方面可有效地 可以在无人员参与下自主控制和执行任务，其 降低毁伤概率，另一方面可提高战斗力。在多机 飞行路径与有人机相比，无人机更加依赖预先规 协同执行任务中，当整个无人机系统达到最优 划的路径和实时路径规划，对所规划的路径要求 时，并不能保证每架无人机均能达到最优。本文 更高，故不能简单照搬有人机的路径规划方案。 是在现有文献综述)基础上，对无人机任务规 任务规划的影响要素众多且相互耦合，约束条件 划技术做详细论述。 的非线性、作战过程的复杂性、战场环境的不可 任务规划(mission planning,MP)2-1是指根 测性和规划过程的马尔可夫性等，增加了无人 据作战任务要求、战场环境、敌我双方的作战配 机在作战过程中的难度。为了保证无人机能够在 置和任务载荷等约束条件，规划出作战过程、任 指定时间完成指定作战任务，必须综合考虑战场 务分配和行动路线等。任务规划是各类飞行器， 环境威胁和任务要求等因素，为无人机制定出在 尤其军用飞行器执行任务的重要保证。任务分配 何时何地执行何种任务的可行路线。 和路径规划是任务规划的两个核心组成部分。无 无人机路径规划是物理可飞性、路径安全性 人机任务分配问题46是在满足环境要素和任务 战术可行性、规划实时性、任务可靠性的统一。 需求条件下，为多无人机分配一个或一组有序的 在规划的内容上，任务规划四已经超越了对作战 任务，在最大程度完成任务的基础上，最优化无 的定性指导和定量计算，主要表现在对作战环 人机系统的整体效率和资源配比。无人机路径规 境、作战资源和具体作战样式的精确化、数字化 划4]实质上是一个多约束、多目标的组合优化 描述。任务规划是作战的灵魂，在使用方式上， 问题，根据任务要求、威胁分布、实时机动性能、 规范化指导作战人员的操作行为，并将规划结果机 [1,2] 作为一种可重复使用的飞行器，以其结构简 单、续航时间长、造价低、隐蔽性强和安全性高等 优势，广泛地应用在信息化战争中执行监视、侦 察、攻击、战场评估、精确打击、充当诱饵等任 务，极大地提高了部队的指挥控制和多兵种协作 作战的能力。早在越南战争、中东战争、科索沃 战争、海湾战争及阿富汗战争中，无人机以其出 色的表现受到世界各国的广泛关注。 美国是无人机任务规划起步最早、发展最快、 技术最先进的国家，在国外无人机技术发展的同 时，中国也先后开启了无人机任务规划的研究。 其中，北京航空航天大学、南京航空航天大学、西 北工业大学和哈尔滨工业大学等高校先后成立了 无人机相关研究机构，并取得了可喜的研究成 果。自 2000 年以来一些民用无人机投入研制，无 人机任务规划系统也从最初的单平台向多平台交 互发展，目前有国防科技大学的多无人机协同任 务资源分配与编队轨迹优化研究[3] ，哈尔滨工业大 学的多无人机系统的协同目标分配和航迹规划方 法研究[4] 、西北工业大学的无人机航路规划方法研 究 [5] 和北京航空航天大学的无人机路径规划技术 研究[6] 等。此外，2015 年我国在纪念抗战 70 周年 阅兵式上，首次展示了作战无人机，这表明了我国 无人机的发展已经走向高新技术的前沿。 随着全球格局的不断演变、军事科技的飞速 发展，武器装备由机械化发展为信息化，战争方 式较以前有了翻天覆地的变化。单无人机执行任 务的局限性，使得多机协同作战成为当下研究的 热点。多机协同执行高危任务，一方面可有效地 降低毁伤概率，另一方面可提高战斗力。在多机 协同执行任务中，当整个无人机系统达到最优 时，并不能保证每架无人机均能达到最优。本文 是在现有文献综述[7-11] 基础上，对无人机任务规 划技术做详细论述。 任务规划 (mission planning，MP)[12-13] 是指根 据作战任务要求、战场环境、敌我双方的作战配 置和任务载荷等约束条件，规划出作战过程、任 务分配和行动路线等。任务规划是各类飞行器， 尤其军用飞行器执行任务的重要保证。任务分配 和路径规划是任务规划的两个核心组成部分。无 人机任务分配问题[14-16] 是在满足环境要素和任务 需求条件下，为多无人机分配一个或一组有序的 任务，在最大程度完成任务的基础上，最优化无 人机系统的整体效率和资源配比。无人机路径规 划 [14-18] 实质上是一个多约束、多目标的组合优化 问题，根据任务要求、威胁分布、实时机动性能、 燃料限制等约束，规划出一条可飞、可行和安全 的航迹。任务规划按时间划分有离线任务规划和 实时在线任务规划；按规划的对象划分有单无人 机任务规划和集群无人机系统任务规划。按实现 方式划分有手动任务规划和自动任务规划[12]。手 动任务规划是指规划人员按照已有的信息和任务 要求，辅助计算机来确定无人机的路径、目标要 求和载荷配置。自动任务规划指完全由规划系统 自动生成。从空间角度划分有全局任务规划和局 部任务规划。全局任务规划多用于目标静止或障 碍物已知的战场环境；局部任务规划多用于复杂 动态环境下。 本文在全面收集、阅读现有文献基础上，论 述了 3 种求解无人机任务分配的方法；4 种求解 路径规划的方法；分析对比了相应典型算法的基 本原理和优缺点；综合考虑了可飞性、时限性、任 务均衡、威胁规避和优先级等约束指标，同时，也 对初步规划出的路径的平滑处理方法进行了探 讨；最后，指出无人机任务规划研究存在的不足 和亟待进一步解决的问题。 1 任务规划 无人机系统相较于单架无人机具有更好的容 错性和鲁棒性，可以通过各无人机之间的信息交 流，提高完成任务的效率；在多变的战场环境中， 各无人机可以实时调整路线，规避障碍和威胁， 提高作战效能，增强规划路径的可靠性。。 无人机系统作为一种典型的多智能体系统， 可以在无人员参与下自主控制和执行任务[19] ，其 飞行路径与有人机相比，无人机更加依赖预先规 划的路径和实时路径规划，对所规划的路径要求 更高，故不能简单照搬有人机的路径规划方案。 任务规划的影响要素众多且相互耦合，约束条件 的非线性、作战过程的复杂性、战场环境的不可 测性和规划过程的马尔可夫性[20] 等，增加了无人 机在作战过程中的难度。为了保证无人机能够在 指定时间完成指定作战任务，必须综合考虑战场 环境威胁和任务要求等因素，为无人机制定出在 何时何地执行何种任务的可行路线。 无人机路径规划是物理可飞性、路径安全性、 战术可行性、规划实时性、任务可靠性的统一[14]。 在规划的内容上，任务规划[21] 已经超越了对作战 的定性指导和定量计算，主要表现在对作战环 境、作战资源和具体作战样式的精确化、数字化 描述。任务规划是作战的灵魂，在使用方式上， 规范化指导作战人员的操作行为，并将规划结果 第 2 期 齐小刚，等：多约束下多无人机的任务规划研究综述 ·205·