看集群技術(shù)如何改變無人機（中）

陳曉晨

無人機集群，指借鑒自然界的自組織機制，使具備有限自主能力的多架無人機在沒有集中指揮控制的情況下，通過相互間信息通信產(chǎn)生整體效應，實現(xiàn)較高程度的自主協(xié)作，從而能在盡量少的人員干預下完成預期的任務目標。本期主要介紹國外對集群無人機技術(shù)的研究成果。結(jié)合上期內(nèi)容讀者也許會發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)外對該領(lǐng)域的研究都集中在理論研究及技術(shù)驗證方面。

四、國外集群

軍用無人機相關(guān)項目

國外集群軍用無人機技術(shù)的研究以美國為主，推行項目制。目前美國國防高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，簡稱DARPA）、美國海軍研究局及眾多實驗室等機構(gòu)已經(jīng)投入了不少資源，且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。總體來說，國外在無人機集群方面的研究相比國內(nèi)做得更為深入，其相關(guān)項目如下。

1.“灰山鶉”（Perdix）項目

2011年，麻省理工學院主導研制了“灰山鶉”無人機。該無人機采用凱芙拉合成纖維和碳纖維材料，通過3D打印而成。其中機翼由碳纖維制成，機身使用低阻力玻璃凱芙拉纖維，動力源是鋰電池。

2012年，美國國防部戰(zhàn)略能力辦公室成立后，采納了該型無人機，為其配套開發(fā)了由戰(zhàn)機進行空中投放的技術(shù)，并于2014年開始進行試驗。2015年6月，在“北方利刃”軍演中，該型無人機共進行了150次試驗，其中有72次是由F-16戰(zhàn)斗機通過曳光彈投放器做的投放試驗。投放后，無人機會先同載具分離；然后依次展開降落傘、機翼，進入減速下降階段；隨后降落傘脫離、機載發(fā)動機啟動，無人機轉(zhuǎn)為自主調(diào)整飛行階段。“灰山鶉”可在40米/秒的速度下正常打開機翼，并在30米/秒的風速環(huán)境中保持飛行姿態(tài)穩(wěn)定。在整個飛行過程中，它一直具備數(shù)據(jù)通信能力。

2016年10月，美軍在加州“中國湖靶場”上空進行了無人機拋撒試驗：先由3架海軍F/A-18F戰(zhàn)斗機釋放103架“灰山鶉”，然后無人機在脫離發(fā)射艙后的短時間內(nèi)相互發(fā)現(xiàn)隊友并組成集群隊形。該試驗標志著美軍的集群自組網(wǎng)技術(shù)達到了實用性階段?！盎疑靳嚒蔽⑿蜔o人機還可由地面發(fā)射裝置發(fā)射，或通過地面人員投擲發(fā)射。未來，“灰山鶉”項目也許會考慮采用大量、不可回收的部署方式。

2.“蝗蟲”（LOCUST）項目

2015年4月16日，美國海軍研究辦公室公布了LOCUST項目中涉及的一系列無人機集群技術(shù)驗證工作。LOCUST全稱是Low-cost UAV Swarming Technology，即低成本無人機集群技術(shù)。項目聚焦于研究通過發(fā)射管將大量可進行數(shù)據(jù)共享、自主協(xié)同的無人機快速、連續(xù)發(fā)射至空中的技術(shù)。這類發(fā)射裝置及無人機必須體積較小，方便整合到艦船、裝甲車輛、飛機等平臺上。而無人機在發(fā)射后組成“蜂群”，不僅能按設定目的做集群飛行、協(xié)同配合，而且可執(zhí)行對敵偵察、打擊等任務。從作戰(zhàn)使用角度來看，LOCUST集群無人機具有明顯優(yōu)勢。

在已公布的驗證工作里，LOCUST項目用的是雷神公司生產(chǎn)、可通過發(fā)射管直接起飛的“郊狼”無人機。它采用可折疊的機翼和螺旋槳，在離開發(fā)射管之后能迅速展開并進入飛行模式。這種無人機的續(xù)航時間在1小時左右，飛行速度90 英里/小時（約合144.8千米/小時），最大起飛重量不超過 13 磅（約合5.9千克）。項目還開發(fā)了一套多管發(fā)射裝置，支持無人機在陸地或艦船上的連續(xù)發(fā)射。與造價昂貴的有人戰(zhàn)機、導彈等高精尖武器相比，LOCUST集群無人機在擁有信息化系統(tǒng)各要素支持的同時，造價遠遠低于前者。

2015年3月，美國海軍研究辦公室在多個地點完成了演示驗證工作，包括發(fā)射攜帶有不同任務載荷的“郊狼”無人機，以及9架無人機完全自主同步和編隊飛行。2016年4月，又完成了30架無人機連續(xù)發(fā)射和編組飛行試驗。

3.“小精靈”（Gremlins）項目

2015年9月，美國國防高級研究計劃局發(fā)布了“小精靈”項目公告，提出研制通過載機在防區(qū)外發(fā)射攜帶了偵察或電子戰(zhàn)設備、具備組網(wǎng)與協(xié)同能力的無人機蜂群，用于離岸偵察與電子攻擊，并在任務完成后對幸存無人機進行回收。

在項目策劃階段，美國國防高級研究計劃局描述了一種體系作戰(zhàn)概念，即利用包含運輸機、轟炸機、戰(zhàn)斗機甚至無人機在內(nèi)的無人機載機，在防區(qū)外發(fā)射小型無人機集群。該項目要求對小型無人機集群空中發(fā)射和由C-130戰(zhàn)術(shù)運輸機在空中回收開展驗證，且小型無人機在空中回收后得返回基地，并能在維護后投入全新任務。

2016年3月，“小精靈”項目第一階段合同共授予4家公司，分別是諾思羅普·格魯曼公司的全資子公司縮比復合材料、Dynetics公司、通用原子航空系統(tǒng)公司和洛克希德·馬丁空間系統(tǒng)公司，旨在發(fā)展以集群方式飽和攻擊敵防空系統(tǒng)的廉價小型無人機技術(shù)解決方案?！靶【`”無人機的性能指標為：作戰(zhàn)半徑556 - 926千米、可持續(xù)作戰(zhàn)時間1 - 3小時、飛行馬赫數(shù)0.7 - 0.8+、任務載荷27.25 - 54.5千克、單價造價70 - 100萬美元。這種小尺寸、可復用、有限壽命、低成本的概念無人機，未來可為很多在研產(chǎn)品提供載體，共同支撐分布式協(xié)同空中作戰(zhàn)。

目前，Dynetics公司和通用原子航空系統(tǒng)公司已經(jīng)獲得“小精靈”項目為期1年的第二階段合同，完成了全尺寸技術(shù)驗證系統(tǒng)的初步設計，發(fā)展根據(jù)上述性能指標定制的噴氣動力低成本無人機。美國國防高級研究計劃局將在2018年年初選擇其中一家承包商進入為期1年半的項目第三階段，制造驗證系統(tǒng)并于2019年開展實際飛行試驗。

五、國外集群

民用無人機相關(guān)團隊

1.匈牙利羅蘭大學Tamás Vicsek團隊

2014年，Nature雜志報道了匈牙利羅蘭大學Tamás Vicsek團隊的科研成果——10架四旋翼飛行器在室外環(huán)境下的自主集群飛行。該項目的最大特點是其任務決策層利用了生物集群行為的機制，實現(xiàn)了類似鳥群的自主飛行。

在試驗中，10架四旋翼飛行器通過與鄰近個體進行信息交互，實現(xiàn)了自主決策飛行，全過程不存在中心控制點。該項目基于自驅(qū)動粒子的運動機制，讓四旋翼飛行器集群在GPS噪聲、通信延遲等故障環(huán)境下嘗試穩(wěn)定飛行，解決了有界區(qū)域內(nèi)的碰撞規(guī)避和聚集、集群目標跟蹤以及隊形的穩(wěn)定保持（網(wǎng)格、旋轉(zhuǎn)環(huán)和直線）問題。

2.美國海軍研究生院Timothy Chung團隊

2015年，美國海軍研究生院Timothy Chung團隊成功完成了50架固定翼無人機集群飛行試驗。此前，他們剛剛完成了1人操控30架固定翼無人機的試驗。

試驗進行時，無人機通過Timothy Chung團隊研制的鏈傳動彈射器，每30秒發(fā)射1架。無人機依次升空后，會依照主從模式飛行，并利用無線自組織網(wǎng)絡進行信息交互和共享。與以往每架飛行器需要一個操縱員不同，依靠集群地面控制站，1名操縱員就能同時控制50架無人機。在這個項目里，核心是實現(xiàn)了無人機操控權(quán)的轉(zhuǎn)移，即將控制權(quán)逐漸轉(zhuǎn)移至飛行器，讓它自主做飛行和決策，大大減輕了操控人員的壓力。

3.美國英特爾（Intel）公司

在2016年年初的國際消費類電子產(chǎn)品展覽會（CES）上，英特爾公司完成了一項吉尼斯世界紀錄挑戰(zhàn)：100架四軸飛行器同步編隊飛行，完成燈光秀。2016年11月5日，該公司再挑戰(zhàn)高難度，打造了一場名為“流星”的燈光秀。在這場表演里，500架無人機由10人團隊負責放飛，僅有1人控制500架無人機變換燈光。

英特爾公司自主研發(fā)的算法，能夠自動處理動畫制作流程，并規(guī)劃出創(chuàng)建空中圖案的最快路徑。操縱員只需輸入1張圖片，就能得出所需無人機數(shù)量，以及每架的停放位置。而在此之前，每次編隊飛行，都需要動畫師長時間地手動完成計算。無人機自帶的燈光秀軟件，還會在每次飛行前做完整的機隊檢查，并基于電池續(xù)航時間、GPS接收信號能力等因素，為每次飛行秀挑選最合適的無人機。

4.法國派諾特（Parrot）公司

雖然派諾特公司在消費級無人機領(lǐng)域的市場份額一直不及大疆，但其產(chǎn)品和技術(shù)頗具特色。在最近的年度展會上，派諾特室內(nèi)無人機編隊舞蹈屢屢成為熱點。不過其多旋翼無人機集群規(guī)模不大，且只在室內(nèi)飛行。

5.新加坡SwarmX公司

SwarmX公司是新加坡的一家無人機初創(chuàng)公司，以其HiveMind無人機操作系統(tǒng)切入集群技術(shù)市場。HiveMind操作系統(tǒng)允許用戶通過平板電腦、臺式機或指揮中心管理無人機集群，同時提供數(shù)據(jù)存儲和成果可視化服務。使用SwarmX公司“基于目標的集群管理”的機器學習算法時，集群指揮官只要發(fā)出需監(jiān)視區(qū)域的范圍，軟件就可迅速推算集群無人機中成員的有效部署方法。

6.美國亞馬遜公司

亞馬遜公司準備用小型無人機構(gòu)建無人機集群，組成1個“巨型運輸機”，以完善自身的無人機物流方案。這個“巨型運輸機”在運行時具有非常高的靈活性，可應對不同需求而形成不同的排列組合。從專利圖中可以看到，亞馬遜力圖打造的無人機集群至少能組成方形、菱形、錐形甚至多種不規(guī)則形狀的矩陣，用于運送不同形狀、尺寸、重量的貨物。

7.荷蘭代爾夫特理工大學

代爾夫特理工大學的微型飛行器實驗室正在開發(fā)具備集群技術(shù)的“口袋無人機”，每個無人機僅有手掌大小。它們能夠飛入室內(nèi)，在建筑物遭到嚴重破壞的情況下幫助救援人員搜尋幸存者。

8.美國哈佛大學威斯康星研究所

哈佛大學威斯康星研究所正在開展一個名為RoboBee的集群無人機項目，成員是起飛重量小于10克的紙夾型無人機。它們將被用于天氣監(jiān)測、農(nóng)田監(jiān)視、作物授粉等領(lǐng)域。威斯康星研究所的研究人員認為，未來小型無人機可能會像昆蟲一樣，成為我們生活環(huán)境的一部分。（未完待續(xù)）