智能無人機(jī)集群技術(shù)概述

李晗　蘇京昭　閆詠

【摘 要】通過無人集群技術(shù)來源的描述，介紹了部分國內(nèi)外先進(jìn)的無人機(jī)集群項(xiàng)目，重點(diǎn)闡述相關(guān)項(xiàng)目的發(fā)展目的和特點(diǎn)，分析了現(xiàn)階段智能無人機(jī)集群發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，主要包括環(huán)境感知與認(rèn)識、多機(jī)協(xié)同任務(wù)規(guī)劃與決策、信息交互與自主控制、人機(jī)智能融合與自適應(yīng)學(xué)習(xí)，最后對智能無人機(jī)集群未來作戰(zhàn)應(yīng)用提出展望。

【關(guān)鍵詞】無人機(jī)；智能集群；自主控制；未來戰(zhàn)爭

中圖分類號： V279 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）26-0005-003

Summary of the technology about swarm intelligence of UAV

LI Han SU Jing-zhao YAN Yong

（38th Research Institution of China Electronics Technology Group Corporation， Hefei Anhui 230000，China）

【Abstract】Through the description the source of unmanned swarm technology， some advanced swarm intelligence of UAV projects were introduced. The purpose and characteristics of the related projects were introduced. The crucial of technology about the swarm intelligence of UAV was analyzed. It mainly includes environmental awareness and awareness， coordinated mission planning and decision-making， information interaction and autonomic control， intelligent fusion and adaptive learning. Finally， the future application of swarm intelligent of UAV is expected.

【Key words】Unmanned Aerial Vehicle； Swarm Intelligence； Autonomic Control； Future Wars

0 引言

無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）誕生于20世紀(jì)初第一次世界大戰(zhàn)期間，其研制目的是為了減少飛機(jī)的失事和飛行員的犧牲，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無人攻擊[1]。進(jìn)入21世紀(jì)隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，無人機(jī)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。軍事方面可以完美的替代有人機(jī)去執(zhí)行4D 任務(wù)（枯燥乏味、環(huán)境惡劣、危險(xiǎn)性高、深入敵方；Dull， Dirty， Dangerous and Deep）[2]。民用方面更是為廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、服務(wù)行業(yè)等各領(lǐng)域，如農(nóng)藥噴灑、火災(zāi)救援、地質(zhì)勘探、考古探險(xiǎn)、物流運(yùn)輸?shù)取?/p>

智能集群（Swarm Intelligence）的研究起始于1959年法國生物學(xué)家PierrePaul Grasse[3]，研究發(fā)現(xiàn)昆蟲之間存在高度結(jié)構(gòu)化組織完成遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出個(gè)體能力的復(fù)雜任務(wù)，蟻群的工作模式就是這種智能機(jī)群的經(jīng)典代表，它們通過單體之間簡單的相互溝通協(xié)調(diào)，表現(xiàn)出大規(guī)模集群的智能行為。通過對昆蟲間智能集群行為的探索逐漸涌現(xiàn)了諸多智能集群算法[4]，如蟻群算法（Ant Colony System， ACS）和粒子群優(yōu)化算法（Particle Swarm Optimization， PSO）。智能無人機(jī)集群就是基于生物集群行為，以單個(gè)無人機(jī)間通過彼此的感知交互、信息傳遞、協(xié)同工作在險(xiǎn)惡的環(huán)境下可以低成本完成多樣性的復(fù)雜任務(wù)。

1 國內(nèi)外智能無人機(jī)集群簡介

通過單體之間的緊密協(xié)作，體現(xiàn)智能無人機(jī)集群體作戰(zhàn)性能的優(yōu)越性，世界各國均致力開展智能無人機(jī)集群的研究，已經(jīng)成為無人機(jī)領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。美國通過國防高級研究局（Defense Advanced Research Projects Agency， DARPA）和海軍研究實(shí)驗(yàn)室（United States Naval Research Laborator， NRL）等機(jī)構(gòu)全力探究無人機(jī)集群最新技術(shù)，應(yīng)用于軍事發(fā)展，以保證其全球軍事技術(shù)領(lǐng)先。目前典型的無人機(jī)集群技術(shù)有：小精靈（Gremlins）項(xiàng)目、拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)項(xiàng)目（CODE）、“山鶉”（Perdix）微型無人機(jī)項(xiàng)目、低成本無人機(jī)集群技術(shù)項(xiàng)目（LOCUST）等[5-7]，其主要特點(diǎn)如表1所示。

表1 智能無人機(jī)集群項(xiàng)目特點(diǎn)

1.1 小精靈

2015年8月，DARPA在前期工作基礎(chǔ)上宣布啟動一個(gè)旨在實(shí)現(xiàn)空中可回收無人系統(tǒng)的“小精靈”項(xiàng)目，如圖1所示。該項(xiàng)目的目標(biāo)是研究低成本的無人機(jī)群，以高效、快速替代的方式搭載情報(bào)、監(jiān)視、偵察（ISR）等任務(wù)載荷，同時(shí)在載機(jī)平臺（運(yùn)輸機(jī)、轟炸機(jī)等）中開發(fā)一個(gè)可以空中實(shí)現(xiàn)無人機(jī)集群快速發(fā)射和回收的裝置，使得未來的作戰(zhàn)飛機(jī)可以快速部署廉價(jià)、可重復(fù)使用的無人機(jī)集群，并進(jìn)行概念驗(yàn)證飛行演示。集群可以通過載機(jī)平臺的指揮控制及之間內(nèi)部信息協(xié)同共享，突破敵方防御系統(tǒng)，快速展開任務(wù)執(zhí)行計(jì)劃，任務(wù)完成后進(jìn)行回收。

圖1 Gremlins項(xiàng)目

1.2 拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)項(xiàng)目（CODE）

2014年，DARPA提出“拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)”（Collaborative Operations in Denied Environment， CODE）項(xiàng)目。CODE項(xiàng)目旨在搭建一套包含編隊(duì)協(xié)同算法的模塊化軟件系統(tǒng)，可以適應(yīng)帶寬限制和通信干擾等惡劣電磁環(huán)境，降低對地面指揮與操作人員的認(rèn)知負(fù)擔(dān)。利用合理的方式將各類功能載荷集成到無人機(jī)集群編隊(duì)中，在單一平臺功能受損的情況下集群仍可以有序的執(zhí)行任務(wù)，這種靈活性可以提高任務(wù)執(zhí)行效率，降低無人機(jī)系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間和成本。該項(xiàng)目目標(biāo)是發(fā)展無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)的自主能力，集群編隊(duì)利用信息共享的方式充分利用每一架無人機(jī)優(yōu)勢，通過協(xié)同算法擴(kuò)展無人機(jī)的任務(wù)類別，提高智能自主能力，最后形成一套智能集群無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)體系架構(gòu)。endprint

1.3 “山鶉”（Perdix）微型無人機(jī)項(xiàng)目

美國國防部戰(zhàn)略能力辦公室（SCO）主導(dǎo)了“山鶉”（Perdix）微型無人機(jī)高速發(fā)射演示項(xiàng)目。2014年9月，SCO首次利用F-16戰(zhàn)機(jī)開展“山鶉”無人機(jī)空中發(fā)射試驗(yàn)。2015年6月SCO又在“北方邊界”演習(xí)中，利用F-16開展了一系列“山鶉”無人機(jī)空中發(fā)射與編隊(duì)試驗(yàn)，驗(yàn)證了無人機(jī)在空中相互通信并自主組成集群編隊(duì)的能力。2017年1月，美國采用三架 F/A-18戰(zhàn)斗機(jī)釋放出103架Perdix無人機(jī)，集群間共享信息進(jìn)行決策，相互協(xié)調(diào)行動，很好的展示了先進(jìn)的群體行為和相互協(xié)調(diào)能力，如集體決策、編隊(duì)飛行等，由于這種微型無人機(jī)可以躲避防空系統(tǒng)，能用來執(zhí)行偵察任務(wù)。

1.4 低成本無人機(jī)集群技術(shù)項(xiàng)目（LOCUST）

2015年4月美國海軍研究辦公室公布了關(guān)于低成本無人機(jī)集群技術(shù)（Low-Cost UAV Swarming Technology，LOCUST）項(xiàng)目的研究狀況，海軍于2016年4月實(shí)現(xiàn)了30架郊狼無人機(jī)的快速發(fā)射和完全自主編隊(duì)飛行技術(shù)驗(yàn)證。該項(xiàng)目旨在快速發(fā)釋放大量小型無人機(jī)，通過自適應(yīng)組網(wǎng)及自主協(xié)同技術(shù)，攜帶各類偵查與攻擊載荷，在數(shù)量上以絕對壓倒性的優(yōu)勢贏得戰(zhàn)爭。LOCUST項(xiàng)目發(fā)展了如郊狼等一系列小型折疊翼無人機(jī)和多管發(fā)射裝置，這類裝置可以裝備到裝甲車、飛機(jī)、艦船等平臺上，并實(shí)現(xiàn)1架每秒的速度釋放出無人機(jī)集群，如圖2所示。

1.5 我國相關(guān)簡介

我國無人機(jī)技術(shù)起步較晚，但發(fā)展迅速，以智能集群技術(shù)尤為突出。中國電子科技科集團(tuán)公司（CETC）曾在分別在2016年和2017年完成了67架和119架固定翼無人機(jī)集群飛行試驗(yàn)，刷新了無人機(jī)集群飛行數(shù)量的新紀(jì)錄，試驗(yàn)成功的演示了編隊(duì)起飛、自主集群飛行、分布式廣域監(jiān)視、感知與規(guī)避等智能無人機(jī)集群技術(shù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

美國曾在2000年將無人機(jī)自主控制的能力分為10個(gè)等級[6]，其中最高等級為集群自主控制，這一最高控制等級要求智能無人機(jī)集群系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下實(shí)現(xiàn)無人多任務(wù)目標(biāo)全自主規(guī)劃，如圖3所示。目前中國和美國在智能無人機(jī)集群領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，要真正實(shí)現(xiàn)集群的完全自主控制還需要解決的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：環(huán)境感知與認(rèn)識、多機(jī)協(xié)同任務(wù)規(guī)劃與決策、信息交互與自主控制、人機(jī)智能融合與自適應(yīng)學(xué)習(xí)技術(shù)[8-11]。

2.1 環(huán)境感知與認(rèn)識

智能無人機(jī)集群系統(tǒng)需要適應(yīng)在險(xiǎn)惡復(fù)雜環(huán)境下執(zhí)行艱難任務(wù)，要求系統(tǒng)能夠全面感知和了解復(fù)雜環(huán)境，可以在集群中進(jìn)行信息共享與交互，輔助集群中其它無人機(jī)進(jìn)行任務(wù)決策，這是智能集群系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高等級自主控制的基礎(chǔ)。

環(huán)境感知的任務(wù)是利用集群中光電、雷達(dá)等任務(wù)載荷收集飛機(jī)所處環(huán)境信息數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)規(guī)律和挖掘目標(biāo)，在目標(biāo)環(huán)境中進(jìn)行目標(biāo)識別、引導(dǎo)攻擊，提高集群系統(tǒng)對目標(biāo)環(huán)境態(tài)勢的認(rèn)識與理解，增強(qiáng)系統(tǒng)任務(wù)實(shí)現(xiàn)可靠性。環(huán)境感知與認(rèn)識的關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)學(xué)建模、信息融合與共享等，目前國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜艺ㄟ^基于生物視覺認(rèn)知機(jī)理的目標(biāo)識別與環(huán)境建模、復(fù)雜環(huán)境感知與認(rèn)識算法、非結(jié)構(gòu)化感知方法等手段實(shí)現(xiàn)能夠適應(yīng)智能無人機(jī)集群的環(huán)境感知與認(rèn)識技術(shù)。

2.2 多機(jī)協(xié)同任務(wù)規(guī)劃與決策

智能無人機(jī)集群系統(tǒng)可以在復(fù)雜的戰(zhàn)場態(tài)勢中同時(shí)完成情報(bào)、監(jiān)視、偵察（ISR）以及多目標(biāo)攻擊等任務(wù)，合理高效的協(xié)同任務(wù)規(guī)劃方案是任務(wù)執(zhí)行的基礎(chǔ)。合理的任務(wù)分配可以充分發(fā)揮單機(jī)作戰(zhàn)功效，體現(xiàn)集群資源的智能化作戰(zhàn)優(yōu)勢，極大提高任務(wù)執(zhí)行成功率和效率，降低風(fēng)險(xiǎn)和成本。

無人機(jī)集群任務(wù)分配一般按照保證最大益損比（分配收益最大、損耗最?。┖腿蝿?wù)均衡的原則進(jìn)行，綜合考慮任務(wù)空間聚集性、單機(jī)運(yùn)動有序性以及目標(biāo)環(huán)境適應(yīng)性，避免單機(jī)資源利用沖突、以集群編隊(duì)整體最優(yōu)效率完成最大任務(wù)數(shù)量，體現(xiàn)集群協(xié)同作戰(zhàn)優(yōu)勢。協(xié)同任務(wù)分配的關(guān)鍵技術(shù)在于其自主任務(wù)分配算法的研究，主要算法類型有：市場機(jī)制拍賣算法、匈牙利算法、蟻群算法、粒子群算法、遺傳算法、一致性集束算法等?，F(xiàn)階段多數(shù)算法并不成熟，不適用于大規(guī)模的復(fù)雜任務(wù)自主規(guī)劃。

2.3 信息交互與自主控制

大規(guī)模的智能無人機(jī)集群在復(fù)雜目標(biāo)環(huán)境中通過單機(jī)情報(bào)信息的實(shí)時(shí)共享與交互進(jìn)行任務(wù)執(zhí)行的調(diào)整、自主控制的迭代，以快速適應(yīng)新環(huán)境、合理規(guī)劃路徑、高效完成任務(wù)。

信息的交互可以輔助單機(jī)要自主選擇接受有用信息實(shí)現(xiàn)自主控制與任務(wù)調(diào)整，更是大規(guī)模集群避免碰撞以及合理規(guī)劃任務(wù)的基礎(chǔ)。集群無人機(jī)會存在如何保持編隊(duì)飛行、快速適應(yīng)目標(biāo)環(huán)境、受到干擾如何保持穩(wěn)定性、系統(tǒng)預(yù)故障的“自愈”等問題，這都需要單機(jī)情報(bào)信息的實(shí)時(shí)共享與交互才能由其余無人機(jī)進(jìn)行自主決策。其關(guān)鍵技術(shù)包括多機(jī)協(xié)調(diào)與交互技術(shù)、不確定環(huán)境下的實(shí)時(shí)航跡規(guī)劃技術(shù)、多無人機(jī)協(xié)同航路規(guī)劃、編隊(duì)運(yùn)動協(xié)調(diào)規(guī)劃與控制，基于故障預(yù)測的任務(wù)規(guī)劃技術(shù)等。

2.4 人機(jī)智能融合與自適應(yīng)學(xué)習(xí)

集群無人機(jī)受機(jī)體性能限制，不具備遠(yuǎn)距離的高效作戰(zhàn)任務(wù)能力。無人機(jī)系統(tǒng)的典型特征就是“平臺無人，系統(tǒng)有人”，隨著單機(jī)系統(tǒng)自主控制能力和智能化水平的提高，通過人機(jī)系統(tǒng)智能融合和集群自適應(yīng)學(xué)習(xí)，可以實(shí)現(xiàn)智能集群和有人系統(tǒng)的高效協(xié)同作戰(zhàn)，極大增強(qiáng)集群無人機(jī)作戰(zhàn)能力。關(guān)鍵技術(shù)有人機(jī)交互、人機(jī)功能動態(tài)分配、人機(jī)綜合顯控技術(shù)、無人機(jī)自主學(xué)習(xí)能力/推理能力提升、平臺狀態(tài)/戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢/任務(wù)協(xié)同綜合顯示等。

3 結(jié)束語

智能無人機(jī)集群技術(shù)作為一種具有顛覆性的智能集群技術(shù)具有惡劣環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，協(xié)同作戰(zhàn)能力強(qiáng)，智能程度高等優(yōu)勢，備受各國重視，目前正處于飛速發(fā)展階段，隨著相關(guān)技術(shù)的日益成熟，智能無人機(jī)集群必將作為無人機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分成為未來戰(zhàn)場中的重要作戰(zhàn)樣式，在戰(zhàn)爭中扮演重要的角色甚至改變戰(zhàn)局。

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