无人机集群控制理论与方法

　　《无人机集群控制理论与方法》是“无人机系统特征技术系列”丛书之一。该书基于集群OODA回路中的分布式“决策和行动”展开，旨在为读者建立小型固定翼无人机集群控制的概念体系和知识框架。全书共8章，全面介绍了无人机集群绪论、体系架构、组网与通信、集群无人机系统、集群协同飞行、飞行安全控制、自主决策与规划、技术发展趋势等内容。该书内容自成体系，各章内容相对完整，基本涵盖了各关键环节的问题描述、挑战、解决方案和试验验证，反映了无人机集群控制领域的新发展和新成果。
　　《无人机集群控制理论与方法》可供智能自主无人机系统技术领域的研究人员、工程技术人员参考，也可作为高等院校相关专业的参考书。

　　沈林成，1965年10月出生，国防科技大学研究生院院长、教授、博士生导师。长期从事智能无人系统和飞行器任务规划等研究工作，是我国无人系统自主控制技术的主要推动者之一，担任国务院学位委员会第七届学科评议组成员、中央军事委员会装备发展部（以下简称“军委装备发展部”）无人系统技术预研专业组组长、中国自动化学会常务理事等职务，国家“985”工程“无人作战系统”科技创新平台负责人、国防“973”项目技术首席科学家。主持国防“973”项目、演示验证、型号研制等国家和军队重大科研项目20余项，出版专著／译著5部，发表SCI论文50余篇、EI论文100余篇，获军队／省级科技奖一等奖2项、二等奖3项，荣立二等功、三等功各1次。
　　
　　王祥科，1981年12月出生，IEEE高级会员，国防科技大学智能科学学院教授。中央军事委员会科学技术委员会（以下简称“军委科技委”）某重大培育项目技术总师，中国自动化学会机器人专业委员会委员，中国指挥与控制学会集群智能与协同控制专业委员会委员。主要从事无人机自主和集群控制相关研究与应用工作。近年来，以通信作者在IEEE Transactions on Robotics等期刊发表SCI论文30余篇，出版译著1部；作为项目负责人或者主持人先后承担创新特区项目、国防“973”项目、武器装备预先研究项目、自然科学基金面上项目等20余项科研项目。

1 绪论
1．1 无人机集群系统概述
1．1．1 无人机集群系统的基本概念
1．1．2 无人机集群系统协同执行任务的优势
1．1．3 无人机集群系统的广泛应用
1．2 无人机集群系统发展现状
1．2．1 创新协同理论，探索集群协同模式
1．2．2 强调体系协同，构建分布式指挥体系架构
1．2．3 加强基础性研究，突破核心关键技术
1．2．4 加紧集群验证，形成非对称优势
1．3 无人机集群控制及其挑战
1．3．1 无人机集群控制的内涵
1．3．2 无人机集群控制的挑战
1．3．3 无人机集群控制的关键问题
1．4 结语
参考文献

2 无人机集群体系架构
2．1 集群体系架构内涵
2．2 集群体系架构发展现状
2．2．1 集群拓扑组织方式
2．2．2 模块化设计方式
2．2．3 集群互操作协议
2．2．4 集群体系架构的挑战
2．3 任务导向的复合式集群体系架构
2．3．1 总体设计
2．3．2 分层设计
2．4 集群互操作协议
2．4．1 跨平台互操作协议标准
2．4．2 基于SOA的开放集成接口
2．4．3 多数据／控制链报文协议的转换
2．5 复合式体系架构实现和试验验证
2．5．1 基于ROS的模块化机载软件
2．5．2 复合式体系架构试验验证
2．6 结语
参考文献

3 无人机集群组网与通信
3．1 集群通信需求和总体设计
3．1．1 集群组网与通信的研究现状
3．1．2 集群组网与通信的典型特点和挑战
3．1．3 集群组网与通信总体设计
3．2 大规模节点自组网MAC协议
3．2．1 MAC协议简介
3．2．2 面向无人机集群的MAC协议研究
3．3 大规模无人机集群自组网路由协议
3．3．1 自组网路由协议简介
3．3．2 大规模集群自组网路由协议研究
3．4 面向集群的协同通信规划
3．4．1 无人机中继规划的意义和挑战
3．4．2 无人机中继通信研究现状
……
4 面向集群使用的无人机系统
5 无人机集群协同飞行
6 无人机集群飞行安全控制
7 无人机集群自主决策与规划
8 技术发展趋势
附录A 无人机集群半实物仿真和飞行验证系统
附录B 基本概念和定义
缩略语
索引

　　无人机集群是指将大量无人机系统在开放体系架构下综合集成，以平台间协同控制为基础，以提升协同任务能力为目标的分布式系统。一般而言，无人机集群以信息局部交互为特征，通过相邻无人机之间的交互，实现机群的群体行为，达到全局性协同目标。通常，无人机集群中的个体能力有限，但群体具有“去中心化”“自主化”和“自治化”三个典型特征。
　　相比于单架无人机，无人机集群在协同执行任务方面具有诸多优势。比如：无人机集群具有分布并行的感知、计算和执行能力，更好的容错性和鲁棒性，更好的包容性和可扩展性；可以提升任务执行能力，完成单机不能完成的任务，实现超过单机系统叠加的功能和效率；具有更高的经济可承受性，通过合理的布局和协同，能够用分散的低成本无人机集群系统代替成本高昂的单个复杂系统，实现更高的经济效益。
　　无人机集群协同执行任务已经成为无人机系统应用的重要发展趋势。在民用领域，无人机集群在智能交通、物流运输、森林火灾监测、地质灾害探测、农业植保、国土资源监测、对地观测和遥感、高速公路管理、小区环境监测等场景中具备特有的优势。比如：在国土资源监测中，无人机集群以协同模式对区域实现同步监控，增加有效覆盖面积，节约执行任务时间；在军事领域，无人机集群将带来作战模式的颠覆性变革，可广泛应用于广域搜索侦查监视、边境巡逻搜救、城市反恐维稳等领域，并可衍生新的作战模式，有望在协同探测、协同攻击、干扰压制等方面发挥巨大作用。2016年5月，美国空军发布了《小型无人机系统飞行规划：2016-2036》，从战略层面肯定了小型无人机系统的前景和价值，并对集群作战的概念进行了阐述。