·1600 工程科学学报，第41卷，第12期 UAV was simulated.The field experimentation shows that the formation mechanism of the migrant bird helps in realizing the distributed formation reconfiguration control of the UAV swarm and improves the robustness of the UAV swarm flight and verifies the feasibility of the novel distributed swarm control algorithm. KEY WORDS unmanned aerial vehicles (UAV);Anser cygnoides;swarm formation;distributed control;local communication 无人机(unmanned Aerial Vehicle,UAV)是指由 机之间的数据.固定翼在长途飞行过程中需要利 遥感设备或程控设备操作的无人驾驶飞行器- 用编队间的气动耦合效应尽量节省燃油，如果保 无人机广泛应用于军事和国民经济的诸多领域 持编队内部各机相对位置不变，则长机的燃油消 军事方面可以完美的替代载人机去执行很多任 耗会比其他无人机大很多.为了降低整个集群编 务，如侦查、预警、打击等可.民用方面更是为广泛 队的燃油消耗，且总的消耗均分到每架无人机上， 应用于农业、工业、服务行业等各领域，如农药喷 需要在长时飞行途中不断改变各无人机在编队中 洒、火灾救援、地质勘探、考古探险、物流运输等. 的相对位置.因此，如何探索一种高效的无人机集 无人机集群是多无人机高度有序地相互协作 群自主控制方法，是直接面临的关键技术挑战 完成任务的分布式群体，可实现去中心化自组网 全世界大约有1800种鸟类是长途迁徙候鸟 的信息高速共享，有效解决有限空间内多架无人 (几乎占所有鸟类的20%)，候鸟由于繁殖和栖息地 机之间的冲突，并形成高效的运动协调无人机 资源消耗殆尽等原因，不得不进行大规模的种群 集群编队控制是无人机集群系统实现的核心关键 迁徙活动.它们每年会进行数百公里甚至数千公 问题之一，是实现无人机集群高效性的重要技术 里的季节性长途迁徙如此长距离的迁徙会伴 途径.无人机集群编队是指两架或两架以上的无 随着巨大的能量消耗并令死亡率增大，但却是种 人机以协作关系形成一定秩序的飞行阿针对无人 群生存所必须的.由于鸟群中经验丰富的个体四 机群体行为协同编队控制已经得到了广泛的研究刀， 或群体智能P-2的影响，在迁移过程中形成编队 这些研究方法主要包括：虚拟结构法⑧、人工势 被认为可以提高导航精度，而且某些编队类型 场法0、领导-跟随法-、基于行为法61刀、一致 也可能通过空气动力效应节省能源2] 性法等.这些经典的编队控制方法适应不同环 鸿雁是自然界中一种常见的候鸟，主要栖息 境，各有优缺点，如人工势场法具有算法简单的优 在平原的湖泊、河流、水塘和农田等水生植物茂 点，其缺点是容易产生振荡；领导-跟随法，该方法 密的地方.每年9月下旬至10月末，它们开始大 是一种集中式控制方法，以集群中其他个体跟随 量从繁殖地迁往越冬地，有的早在9月初至9月中 一架长机，其优点是算法简单有效，易于实现，缺 旬即开始迁徙，在傍晚，我们经常可以看见几十到 点是一旦长机损毁，整个编队将无法保持：基于行 上百只鸿雁呈“人”字形或“一”字形队形编队排列 为法的原理是通过几种简单行为的加权组合来实 飞行.鸿雁形成这样的队形被认为是可以利用队 现编队控制，其优点是减少了对信息的依赖，但也 伍中前雁飞行产生的翼尖上升涡旋气流提高升 产生了适应性降低的缺点；虚拟结构法也是一种 力，节省体力，但是对于前雁，负担将增大.因此， 集中式编队控制方法，与领导-跟随法的区别是，其 鸿雁编队中，每只鸿雁的位置都不是一成不变的， 设置了一个虚拟长机以避免使用具体个体作为长 而是不断地交换位置，后雁会在一定条件下与前 机，从而避免了领导-跟随法的缺点，但其也存在对 雁交换位置，这样的行为会在整体上降低整个群 通信感知性能要求较高的缺点；一致性法是一种 体的总体能耗.研究结果表明，候鸟在长途迁徙过 分布式方法，原则是与邻居个体通信并保持行为 程中可能会采取一种直接的领导-跟随-回报策略， 致，该方法优点是适用于大规模编队，鲁棒性 以增加群体中每只候鸟的生存机会242) 强，缺点是分布式算法复杂，对通信及其时延要求 与其他的大雁相比，鸿雁群具有较远的迁徙 较高.当前无人机集群集中式控制算法对处理器 路程和较复杂的迁徙路线.鸟类学家的实际观测 性能、通信带宽和通信时延要求较高，长机或地面 研究表明.鸿雁群从蒙古境内出发向南迁徙，直至 站需要与所有无人机通信，处理整个集群的状态 中国的鄱阳湖流域，全长达2600多公里.如此漫 信息和控制，一旦长机或地面站损坏，整个集群就 长的旅途意味着鸿雁不可能像其他大雁一样沿着 会停止工作：普通分布式控制算法对通信要求也 直线飞抵目标，它们需要在途中做多次停留，因此 很高，需要复杂的协调逻辑处理和协调不同无人 鸿雁群会综合考虑路程，沿途路况（是否经过人类UAV was simulated. The field experimentation shows that the formation mechanism of the migrant bird helps in realizing the distributed formation reconfiguration control of the UAV swarm and improves the robustness of the UAV swarm flight and verifies the feasibility of the novel distributed swarm control algorithm. KEY WORDS    unmanned aerial vehicles (UAV)；Anser cygnoides；swarm formation；distributed control；local communication 无人机（unmanned Aerial Vehicle, UAV）是指由 遥感设备或程控设备操作的无人驾驶飞行器[1−4] . 无人机广泛应用于军事和国民经济的诸多领域. 军事方面可以完美的替代载人机去执行很多任 务，如侦查、预警、打击等[5] . 民用方面更是为广泛 应用于农业、工业、服务行业等各领域，如农药喷 洒、火灾救援、地质勘探、考古探险、物流运输等. 无人机集群是多无人机高度有序地相互协作 完成任务的分布式群体，可实现去中心化自组网 的信息高速共享，有效解决有限空间内多架无人 机之间的冲突，并形成高效的运动协调[4] . 无人机 集群编队控制是无人机集群系统实现的核心关键 问题之一，是实现无人机集群高效性的重要技术 途径. 无人机集群编队是指两架或两架以上的无 人机以协作关系形成一定秩序的飞行[6] . 针对无人 机群体行为协同编队控制已经得到了广泛的研究[7] ， 这些研究方法主要包括：虚拟结构法[8−9]、人工势 场法[10]、领导-跟随法[11−15]、基于行为法[16−17]、一致 性法[18] 等. 这些经典的编队控制方法适应不同环 境，各有优缺点，如人工势场法具有算法简单的优 点，其缺点是容易产生振荡；领导-跟随法，该方法 是一种集中式控制方法，以集群中其他个体跟随 一架长机，其优点是算法简单有效，易于实现，缺 点是一旦长机损毁，整个编队将无法保持；基于行 为法的原理是通过几种简单行为的加权组合来实 现编队控制，其优点是减少了对信息的依赖，但也 产生了适应性降低的缺点；虚拟结构法也是一种 集中式编队控制方法，与领导-跟随法的区别是，其 设置了一个虚拟长机以避免使用具体个体作为长 机，从而避免了领导-跟随法的缺点，但其也存在对 通信感知性能要求较高的缺点；一致性法是一种 分布式方法，原则是与邻居个体通信并保持行为 一致，该方法优点是适用于大规模编队，鲁棒性 强，缺点是分布式算法复杂，对通信及其时延要求 较高. 当前无人机集群集中式控制算法对处理器 性能、通信带宽和通信时延要求较高，长机或地面 站需要与所有无人机通信，处理整个集群的状态 信息和控制，一旦长机或地面站损坏，整个集群就 会停止工作；普通分布式控制算法对通信要求也 很高，需要复杂的协调逻辑处理和协调不同无人 机之间的数据. 固定翼在长途飞行过程中需要利 用编队间的气动耦合效应尽量节省燃油，如果保 持编队内部各机相对位置不变，则长机的燃油消 耗会比其他无人机大很多. 为了降低整个集群编 队的燃油消耗，且总的消耗均分到每架无人机上， 需要在长时飞行途中不断改变各无人机在编队中 的相对位置. 因此，如何探索一种高效的无人机集 群自主控制方法，是直接面临的关键技术挑战. 全世界大约有 1800 种鸟类是长途迁徙候鸟 (几乎占所有鸟类的 20%)，候鸟由于繁殖和栖息地 资源消耗殆尽等原因，不得不进行大规模的种群 迁徙活动. 它们每年会进行数百公里甚至数千公 里的季节性长途迁徙[19] . 如此长距离的迁徙会伴 随着巨大的能量消耗并令死亡率增大，但却是种 群生存所必须的. 由于鸟群中经验丰富的个体[20] 或群体智能[21−22] 的影响，在迁移过程中形成编队 被认为可以提高导航精度[22] ，而且某些编队类型 也可能通过空气动力效应节省能源[23] . 鸿雁是自然界中一种常见的候鸟，主要栖息 在平原的湖泊、河流、水塘和农田等水生植物茂 密的地方. 每年 9 月下旬至 10 月末，它们开始大 量从繁殖地迁往越冬地，有的早在 9 月初至 9 月中 旬即开始迁徙，在傍晚，我们经常可以看见几十到 上百只鸿雁呈“人”字形或“一”字形队形编队排列 飞行. 鸿雁形成这样的队形被认为是可以利用队 伍中前雁飞行产生的翼尖上升涡旋气流提高升 力，节省体力，但是对于前雁，负担将增大. 因此， 鸿雁编队中，每只鸿雁的位置都不是一成不变的， 而是不断地交换位置，后雁会在一定条件下与前 雁交换位置，这样的行为会在整体上降低整个群 体的总体能耗. 研究结果表明，候鸟在长途迁徙过 程中可能会采取一种直接的领导-跟随-回报策略， 以增加群体中每只候鸟的生存机会[24−25] . 与其他的大雁相比，鸿雁群具有较远的迁徙 路程和较复杂的迁徙路线. 鸟类学家的实际观测 研究表明，鸿雁群从蒙古境内出发向南迁徙，直至 中国的鄱阳湖流域，全长达 2600 多公里. 如此漫 长的旅途意味着鸿雁不可能像其他大雁一样沿着 直线飞抵目标，它们需要在途中做多次停留，因此 鸿雁群会综合考虑路程，沿途路况（是否经过人类 · 1600 · 工程科学学报，第 41 卷，第 12 期