看集群技術(shù)如何改變無人機（下）

陳曉晨

目前，國內(nèi)大專院校和科研院所正一邊致力于集群無人機的理論研究，一邊開展工程技術(shù)驗證，且取得了驕人的成績。國外則是以項目制形式推進對該技術(shù)的研究。尤其是美國，已經(jīng)投入了不少資源，在無人機集群高風險/高回報的概念驗證研究方面成效顯著。無中心化、自主化、自治化，是無人機集群的重要特點。未來，隨著集群技術(shù)的深入研究，集群無人機的應(yīng)用也將被慢慢挖掘出來。

五、集群無人機

的應(yīng)用前景

1.軍用領(lǐng)域

2017年11月2日，一張從空中俯拍、展現(xiàn)中國空軍3架殲20和3架殲16在跑道上停駐的照片，吸引了所有軍事愛好者的目光。這張照片由李韶鵬攝于中國人民解放軍建軍90周年朱日和沙場大閱兵期間，兩款戰(zhàn)機擺出的陣勢有一個專用術(shù)語——“大象漫步（Elephant Walk）”。該陣勢的使用，最早可追溯至第二次世界大戰(zhàn)期間，當時盟軍動輒出動上千架轟炸機執(zhí)行任務(wù)。飛機以密集編隊在跑道上滑行，幾乎是機尾貼著機頭，看起來很像“大象們挨個踏過水坑”，因此得名“大象漫步”。這種大機群密集陣型的滑行起飛，大大提高了跑道的利用率，但對戰(zhàn)機飛行員的操縱水平和機場空管能力提出了很高要求。

2016年5月，美國空軍正式提出《2016 - 2036年小型無人機系統(tǒng)飛行規(guī)劃》，希望構(gòu)建橫跨航空、太空、網(wǎng)空（網(wǎng)絡(luò)空間）的小型無人機系統(tǒng)。規(guī)劃提出，要在2036年實現(xiàn)無人機集群作戰(zhàn)，從戰(zhàn)略層面肯定小型無人機系統(tǒng)的前景和價值。由此，筆者大膽推測，在不遠的未來，軍用領(lǐng)域很可能出現(xiàn)有人機與無人機協(xié)同作戰(zhàn)，甚至無人機集群單獨作戰(zhàn)的模式。未來軍隊對飛行器的需求，大概率是海量無人機的集群，就像二戰(zhàn)期間倫敦上空的Ju-87“斯圖卡”俯沖轟炸機群，或者東京上空的B-29“超級空中堡壘”重型轟炸機群。

2.民用領(lǐng)域

在民用領(lǐng)域，集群無人機不僅將大幅提高快遞物流、精準農(nóng)業(yè)、應(yīng)急救援、遙感測繪等行業(yè)的作業(yè)效率，還會改變民眾的休閑娛樂方式。

（1）快遞物流

互聯(lián)網(wǎng)熱潮帶來了電子商務(wù)的大好局面，也驅(qū)動著無人系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展。前文曾提到美國亞馬遜公司準備用小型無人機構(gòu)建無人機集群，組成一個“巨型運輸機”，以完善自身的無人機物流方案。除此以外，該公司還研發(fā)了Kiva倉儲搬運機器人（簡稱AGV）。二者都引起了業(yè)內(nèi)的持續(xù)關(guān)注。

而在國內(nèi)，無人機送貨正成為電商拓展廣大農(nóng)村市場的利器。2016年6月8日，京東集團用1架三軸無人機在江蘇宿遷，成功完成首單無人機送貨。2017年6月18日，1架由京東自主研發(fā)的無人機在西安航天基地管委會南廣場順利完成了快遞投放任務(wù)。與此同時，該集團宣布將在西安市規(guī)劃40余條無人機航線，實現(xiàn)載重10 - 15千克、航程15 - 20千米的無人機常態(tài)化運營，而載重200 - 2000千克、航程超過500千米的大型送貨無人機也在研制中。

未來無人機被大量用于物流運營后，必然帶來復雜的管理問題。在實際運用場景中，面對高達百萬的訂單量，無論是通過調(diào)配算法，實現(xiàn)倉儲機器人和無人機的相互避讓，還是支持不同功能的機器人與無人機協(xié)同作業(yè)，都需要集群技術(shù)的支撐。

（2）精準農(nóng)業(yè)

隨著植保無人機的廣泛應(yīng)用，業(yè)界目光已經(jīng)從單純的無人機農(nóng)藥噴灑逐漸擴展到農(nóng)業(yè)信息采集、農(nóng)業(yè)光譜數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域。為了彌補單機作業(yè)的缺陷，無人機集群技術(shù)開始引起從業(yè)者的注意。

目前正在進行的SAGA（Swarm Robotics for Agricultural Applications）農(nóng)業(yè)應(yīng)用的機器人集群項目，將幫助繪制農(nóng)田雜草地圖，以提高作物產(chǎn)量。該計劃是接受ECHORD++資助的研究項目，設(shè)想讓多架無人機互相配合，協(xié)同監(jiān)測規(guī)定的農(nóng)田區(qū)域，并通過機載視覺設(shè)備精確地找到作物中的雜草，最終繪制出農(nóng)田雜草地圖。

要實現(xiàn)這一目標，集群中的無人機必須先互相交換信息，然后充分利用各自獲取的信息，優(yōu)先在雜草最密集的區(qū)域作業(yè)。這種算法類似自然界中蜜蜂群盡可能地在花朵最密集的區(qū)域采蜜，通過優(yōu)化路徑提高作業(yè)效率。

（3）應(yīng)急救援

發(fā)生自然災(zāi)害時，救援人員的首要任務(wù)是建立臨時通信網(wǎng)絡(luò)、查看災(zāi)情，再出動直升機等交通工具運輸物資和人員。除了價格昂貴的衛(wèi)星通信，無人機集群是解決救災(zāi)中通信問題的最佳選擇。

瑞士聯(lián)邦理工學院（洛桑）的智能系統(tǒng)實驗室，在進行微型蜂群飛行器網(wǎng)絡(luò)項目時開發(fā)了一套可在災(zāi)區(qū)快速搭建通信網(wǎng)絡(luò)的微型飛行機器人集群。這種機器人能夠在復雜地形下快速地布置到災(zāi)區(qū)，并以自身為節(jié)點，在最短的時間內(nèi)恢復災(zāi)區(qū)的通信網(wǎng)絡(luò)。無人機集群具有成本低、可消耗、部署簡便、使用靈活等特點，無疑為應(yīng)急救援的通信保障提供了一種解決方案。

（4）遙感測繪

在行業(yè)應(yīng)用中，遙感與對地觀測及地理信息采集的需求一直廣受關(guān)注。由于單機作業(yè)時，大范圍的對地觀測往往需要消耗很長時間，因此引入無人機集群技術(shù)，可解決時間和效率的難題。

對有地理信息需求的行業(yè)而言，無人機都有成本、技術(shù)和便利性方面的優(yōu)勢，極具吸引力。而對地觀測是一種天然可并行的任務(wù)類型，其作業(yè)效率與無人機數(shù)量線性相關(guān)。在遙感測繪領(lǐng)域，集群技術(shù)可支持少量的工作人員控制大量的無人機并行作業(yè)。無人機集群協(xié)調(diào)對地觀測的典型路徑如下圖所示。這類集群算法通過設(shè)定1個優(yōu)化函數(shù)，協(xié)調(diào)各個無人機的任務(wù)路徑。在執(zhí)行存在諸多不確定因素的地面目標跟蹤之類的時變?nèi)蝿?wù)時，無人機集群技術(shù)具有極大的優(yōu)勢。

（5）休閑娛樂

本文開篇曾提到2017年年末， 1 180架無人機在廣州海心沙廣場進行的編隊表演，引得網(wǎng)友爭相轉(zhuǎn)發(fā)。目前，無人機廠家、藝術(shù)家、游樂園運營商、傳統(tǒng)燈光秀團隊等都對無人機集群演出的前景表現(xiàn)出極大興趣。未來，比傳統(tǒng)煙花更經(jīng)濟、高效、安全的無人機集群燈光秀必將頻繁出現(xiàn)。

六、集群無人機的

關(guān)鍵技術(shù)

相對單機系統(tǒng)，無人機集群天然地擁有規(guī)模優(yōu)勢，能夠完成更加復雜的任務(wù)，具有更好的魯棒性（在異常和危險情況下系統(tǒng)不易出錯的能力）、更強的生存能力以及巨大的成本優(yōu)勢。這也是無人機的重要發(fā)展方向。

目前無人機集群技術(shù)尚處于概念研究和初步驗證階段，更多地表現(xiàn)在編隊表演方面。而未來發(fā)展的方向，是將自組織機制引入無人機平臺，真正實現(xiàn)復雜、動態(tài)、不確定環(huán)境下的無人機集群。需要解決的關(guān)鍵問題包括：集群感知與信息共享、集群智能協(xié)同決策、通信及組網(wǎng)技術(shù)、協(xié)同編隊控制技術(shù)等。

1.集群感知與信息共享

集群感知與信息共享是無人機集群控制與決策的依據(jù)。通過無人機的機載傳感器，集群系統(tǒng)平臺能感知到戰(zhàn)場態(tài)勢，獲得更廣大的觀測范圍、更精準的定位精度以及更優(yōu)秀的魯棒性。利用機間鏈，集群無人機可實現(xiàn)態(tài)勢信息共享，形成統(tǒng)一的通用作戰(zhàn)視圖，為集群作戰(zhàn)奠定基礎(chǔ)。這一階段涉及的技術(shù)，包括協(xié)同目標探測、協(xié)同目標狀態(tài)融合估計、協(xié)同態(tài)勢理解與共享等。

2.集群協(xié)同智能決策

無人機集群協(xié)同決策是實現(xiàn)集群優(yōu)勢的核心。集群協(xié)同智能決策的目標，是針對高對抗性的戰(zhàn)場環(huán)境，提高系統(tǒng)的整體生存能力——在可能損失部分無人機的決策前提下，加強整個系統(tǒng)的生存能力，確保完成任務(wù)。

無人機集群協(xié)同決策的內(nèi)容包括威脅的判斷、目標優(yōu)先權(quán)的排序、目標分配等任務(wù)的動態(tài)分配與調(diào)度。在這一階段，需考慮各個無人機的任務(wù)分配是否存在沖突，重點消除多機之間的任務(wù)耦合，以應(yīng)對動態(tài)、不確定的外部環(huán)境，實現(xiàn)基于任務(wù)和無人機能力的協(xié)同決策，制定高效合理的任務(wù)計劃。良好的集群協(xié)同智能決策，可使無人機執(zhí)行任務(wù)時的生存概率和作戰(zhàn)效能達到最佳。

3.通信及組網(wǎng)技術(shù)

通信技術(shù)、組網(wǎng)技術(shù)都是無人機集群化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。要想實現(xiàn)集群中單個個體間的相互通信，就得建立強大且穩(wěn)定的數(shù)據(jù)鏈路。無論是中轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)還是主要網(wǎng)絡(luò)平臺，對無人機集群的作戰(zhàn)遷移路徑和提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力都至關(guān)重要。

集群對抗環(huán)境對通信鏈路的要求同樣嚴苛，既要滿足地面站與無人機、無人機與無人機、無人機編隊與無人機編隊之間存在一定冗余的信息交互，又要盡量減少通信延遲，保證信息交互的實時性。

4.協(xié)同編隊控制技術(shù)

無人機協(xié)同編隊飛行，就是讓多架無人機按照一定的隊形排列，并確保在整個飛行過程中隊形不變。當某架無人機因敵方的通信干擾，或受到攻擊掉隊失蹤時， 剩余無人機應(yīng)能立刻填補留下的空缺。這就是協(xié)同編隊的意義所在，飛行中的無人機能隨時通過信息共享，在飛行中改變原有隊形，自發(fā)地對突發(fā)事件做出反應(yīng)。也就是說，集群中的所有飛行器都要在執(zhí)行任務(wù)時根據(jù)具體情況來分擔各自的任務(wù)。

協(xié)同編隊控制是無人機集群執(zhí)行任務(wù)的基礎(chǔ)和最基本形式。無人機集群在執(zhí)行任務(wù)過程中，會形成并保持一定的幾何構(gòu)型，以適應(yīng)平臺性能、戰(zhàn)場環(huán)境、戰(zhàn)術(shù)任務(wù)等。在這一階段，需要解決兩個問題：一是編隊構(gòu)成/重構(gòu)，包括起飛前編隊的生成、遇障礙時編隊的拆分和重建、增加或減少無人機時編隊的重構(gòu)等問題；二是編隊保持，包括飛行中編隊的保持、不同幾何形態(tài)下的編隊切換，以及保持幾何形態(tài)不變下的編隊收縮、擴張、旋轉(zhuǎn)控制等。

無人機編隊和集群技術(shù)并不是最近才爆出的黑科技。早在2003年的伊拉克戰(zhàn)爭中，美軍就將多種不同型號的無人機組成一個廣域無人機作戰(zhàn)集群，其中“全球鷹”在高空執(zhí)行偵察任務(wù)；“捕食者”、“先鋒”、“獵人”、“影子200”等在中空執(zhí)行偵察或打擊任務(wù)；“龍眼”、“指針”等則在低空執(zhí)行戰(zhàn)術(shù)偵察任務(wù)。目前，并沒有哪個國家的軍隊把微小型無人機集群作為主力兵器，而是在特定情況下能出奇制勝的奇兵。不過隨著戰(zhàn)場環(huán)境的日益惡化、無人機自主能力的不斷提高，無人機集群作戰(zhàn)必將成為未來無人機系統(tǒng)應(yīng)用的一種重要形式。