無人機集群技術(shù)的民用發(fā)展

唐毅 司維釗 王懷超

摘 要 本文分析的無人機集群技術(shù)的發(fā)展及其在行業(yè)的應(yīng)用，對無人機的關(guān)鍵技術(shù)進行了展望，在不遠的未來，無人機集群技術(shù)不僅將對軍事領(lǐng)域造成巨大影響，也將不斷推動無人機產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展。

關(guān)鍵詞 無人機集群 行業(yè)應(yīng)用 無人機關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號：V279 文獻標識碼：A

2016年8月，在中國計算機學(xué)會主辦的CCF-GAIR峰會上，賓夕法尼亞大學(xué)工程學(xué)院院長、IEEE、ASME Fellow，美國國家工程院院士Vijay Kuma教授提出來他的5S趨勢理論：Small（小型），Safe（安全），Smart（智能），Speed（敏捷）和Swarm（集群），與一直被廣泛研究的前四個S不同，Swarm集群技術(shù)目前還主要在學(xué)術(shù)界和國防領(lǐng)域受到關(guān)注。集群智能（Swarm Intelligence）作為一種Game-Changing的顛覆性技術(shù)，一直被中美等國軍隊視為無人化作戰(zhàn)的突破口。

無人機作戰(zhàn)系統(tǒng)是由無人機作戰(zhàn)平臺、任務(wù)載荷、指揮控制系統(tǒng)以及空一天一地信息網(wǎng)絡(luò)組成的綜合化作戰(zhàn)系統(tǒng)，是信息化戰(zhàn)爭中奪取信息優(yōu)勢、實施精確打擊、完成特殊作戰(zhàn)任務(wù)的重要手段之一。而集群智能（SwarmIntelligence）作為一種“Game-Changing”的顛覆性技術(shù)，一直被中美等軍事強國作為軍用人工智能的核心。

無人機集群不僅在軍事方面前途廣泛，在分解重大任務(wù)方面“化整為零”的特點和相互協(xié)作最終達到的倍增效益，同樣適用于民用領(lǐng)域，尤其是無人機行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。現(xiàn)在無人機集群技術(shù)已經(jīng)在下列民用領(lǐng)域嶄露頭角。

1快遞物流

互聯(lián)網(wǎng)熱潮帶來的電子商務(wù)發(fā)展的繁榮驅(qū)動著無人系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，Amazon的Kiva倉儲搬運機器人（AGV）和快遞無人機也引起業(yè)內(nèi)注意，京東也完成了他的首次快遞無人機試飛。

未來無人機技術(shù)廣泛運營之后必然帶來復(fù)雜的管理問題，在實際運用場景中，面對百萬訂單量的并發(fā)，調(diào)配算法能夠支持多少機器人和無人機實現(xiàn)相互避讓，不同機器人和無人機之間是否能夠協(xié)作流暢，都需要集群技術(shù)的支撐。

說起物流無人機，就不得不提一直致力于提升物流效率的亞馬遜，大家對它的Kiva倉儲搬運機器人一定不陌生。近日，外媒在專利查詢網(wǎng)站上又發(fā)現(xiàn)了亞馬遜的一個新無人機專利——集群無人機。亞馬遜準備用一群小無人機做一個無人機集群，組成一個巨型的運輸無人機，來完善亞馬遜自身的無人機物流方案。亞馬遜此舉證明其充分意識到，當成百上千萬的訂單里齊發(fā)，單體無人機已經(jīng)無法有效承載物流任務(wù)，因為多架無人機同時運營之時，如何彼此實現(xiàn)避讓，能否相互協(xié)作流暢，都需要借助于集群技術(shù)。一旦集群技術(shù)應(yīng)用于物流無人機，載荷與續(xù)航都將不再是難題。

2農(nóng)業(yè)

隨著農(nóng)業(yè)無人機應(yīng)用的廣泛開展，業(yè)界的目光已經(jīng)從單純的無人機農(nóng)藥噴灑逐漸擴展到無人機農(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)也開始得到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的關(guān)注。

SAGA項目，也就是農(nóng)業(yè)應(yīng)用的機器人集群（Swarm Robotics for Agricultural Applications），將幫助農(nóng)民繪制農(nóng)田中的雜草地圖，從而提高作物產(chǎn)量。該系統(tǒng)是一個由ECHORD ++資助的研究項目，由一組多架無人機互相配合，協(xié)同監(jiān)測一塊農(nóng)田區(qū)域，并通過機載機器視覺設(shè)備，精確找到作物中的雜草并繪制雜草地圖。

無人機集群中的無人機互相交互信息，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)，算法類似自然界中蜜蜂群盡可能在花朵最密集的區(qū)域采蜜，這種路徑優(yōu)化技術(shù)有助于提高作業(yè)效率。

3應(yīng)急救援

當自然災(zāi)害發(fā)生時，首要的任務(wù)就是建立臨時通信網(wǎng)、查看災(zāi)情，然后再出動直升機運輸物資和人員，除了昂貴的衛(wèi)星通信手段，無人機集群是解決救災(zāi)通信問題的最佳選擇。

洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的智能系統(tǒng)實驗室曾經(jīng)在其微型蜂群飛行器網(wǎng)絡(luò)項目中，開發(fā)一套可以在災(zāi)區(qū)快速搭建通信網(wǎng)絡(luò)的微型飛行機器人群。這種機器人可以克服地形困擾，快速地布置到災(zāi)區(qū)，以自身為節(jié)點，在最短的時間內(nèi)恢復(fù)災(zāi)區(qū)的通信網(wǎng)絡(luò)。無人機集群成本低、可消耗、部署簡便、使用靈活，為應(yīng)急救援的通信保障提供了一種靈活的解決方案。

4遙感與對地觀測

與消費類無人機的航拍需求類似，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，無人機對幾乎所有存在地理信息需求的行業(yè)都有著成本、技術(shù)和便利性方面的優(yōu)勢。在單無人機作業(yè)的情況下，大范圍的對地觀測往往需要消耗很長時間，而引入無人機集群技術(shù)，則可以解決時間與效率難題。

本質(zhì)上，集群技術(shù)使少量的人員能夠控制大量無人機進行并行作業(yè)，對地觀測這種天然可并行的任務(wù)類型的作業(yè)效率與無人機數(shù)量線性正相關(guān)，因此極具吸引力。集群算法可以設(shè)定一個優(yōu)化函數(shù)來協(xié)調(diào)各個無人機的任務(wù)路徑，尤其對于存在諸多不確定性的地面目標跟蹤之類的時變?nèi)蝿?wù)，集群技術(shù)可以發(fā)揮極大的優(yōu)勢。

5無人機燈光、煙花秀

無人機廠家、藝術(shù)家、游樂園運營商和傳統(tǒng)的燈光秀團隊都對無人機集群演出的前景表現(xiàn)出極大的興趣。迪斯尼公司申請了很多與無人機有關(guān)的專利，它將那些無人機稱作“Flixels”。它在專利文件中寫道，這些無人機可以按照預(yù)先設(shè)定好的路線飛行，并且按照設(shè)定好的程序發(fā)出LED光，從而在天空上“繪制”出不同的圖案。以無人機集群為核心的燈光秀可比傳統(tǒng)煙花更加經(jīng)濟、高效和安全。2018韓國平昌冬奧會上，INTEL為觀眾奉上了一場精彩的無人機表演。

6管道巡檢

管道巡檢方面，據(jù)2016中國石油企業(yè)協(xié)會發(fā)布《2016中國油氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析與展望報告藍皮書》，2015年我國建成原油管道2.07km，成品油管道2.11km，新增天然氣管道2700km。石油天然氣管道由于輸送距離長，所處地理環(huán)境復(fù)雜，有些地方可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，需要環(huán)境監(jiān)測、故障預(yù)防、事故預(yù)防等常規(guī)巡檢，以及發(fā)生故障或事故后的應(yīng)急監(jiān)測。

采用無人機對石油天然氣管道進行日常巡檢，以及去特定區(qū)域進行詳細巡檢就顯得十分有必要。目前多采用單個無人機進行巡查，但是單個無人機載荷能力有限，限制了搭載的設(shè)備，在巡航距離和監(jiān)測內(nèi)容方面受到限制。如果要完成一項復(fù)雜的任務(wù)，必須多次出動，或者頻繁更換不同設(shè)備。

而采用無人機組，通過無人機編隊飛行的方式進行管道巡檢就是一個有效解決方法。因為無人機組可以攜帶不同裝備，通過相互協(xié)作完成單個無人機不能完成的任務(wù)，如高精度定位、多角度成像及通信中繼等。據(jù)悉，單個無人機只能對目標進行二維測量或成像，而無人機組通過編隊排列，可測量得到三維信息。

此外，編隊作業(yè)的無人機組可以分散搭載設(shè)備，將一個復(fù)雜的任務(wù)拆分為多個簡單任務(wù)，分配給編隊中的不同無人機，從而協(xié)同作業(yè)，一次性完成單機必須分多次完成的作業(yè)，更加有效率。

作為一個發(fā)展速度快、迭代周期短的領(lǐng)域，無人機集群技術(shù)的發(fā)展一直是業(yè)內(nèi)討論的焦點，其決定著無人機集群未來發(fā)展趨勢，未來可能的關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾種。

（1）無人機集群通信技術(shù)。

集群環(huán)境對通信鏈路的要求十分嚴苛，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必須存在一定冗余的信息交互，同時應(yīng)減少通信的延遲，保證信息交互的實時性。作業(yè)過程中，無人機存在完成作業(yè)、開始作業(yè)等多個狀態(tài)，其動態(tài)加入和退出也使得通信鏈路必須滿足在正常通信需求的條件下，支持無人機數(shù)量的變化，完成集群的重構(gòu)，而且在無人機與地面站失去聯(lián)系時，無人機群應(yīng)具有通信鏈路的自組織能力。其次，在某些關(guān)鍵操作上，通信鏈路還必須保證地面操作員能夠?qū)o人機任務(wù)進行授權(quán)和確認。

（2）無人機集群任務(wù)規(guī)劃技術(shù)。

為了實現(xiàn)多無人飛行器之間有效的任務(wù)協(xié)同，同時保證控制結(jié)構(gòu)不依賴于無人飛行器的數(shù)量，構(gòu)建多無人飛行器協(xié)同任務(wù)自組織系統(tǒng)分布式體系結(jié)構(gòu)，各無人飛行器的基本行為和簡單任務(wù)由無人飛行器自己自主完成，當面臨復(fù)雜任務(wù)和需要協(xié)作的任務(wù)時，當前無人飛行器可以把任務(wù)信息和資源需求發(fā)布到由各無人飛行器組成的網(wǎng)絡(luò)上，各無人飛行器可以根據(jù)自身當前任務(wù)和資源情況予以響應(yīng)。這樣，任意一個無人飛行器的退出或加入，都不會對系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)帶來影響。

（3）路徑規(guī)劃技術(shù)。

無人機在實際飛行中如果存在突發(fā)狀況，必須進行航跡重新規(guī)劃，以以規(guī)避威脅。為滿足協(xié)同工作時的時效性，重新規(guī)劃所采用的算法必須具有實時、高效的特點。因此，可以根據(jù)蜂群算法領(lǐng)域搜索的特點，以參考航跡的突發(fā)威脅作為領(lǐng)蜂航跡，跟隨蜂僅在參考航跡的突發(fā)威脅段進行領(lǐng)域搜索，而不需要對整條航跡進行搜索，由此可以快速獲得修正航跡段，并替換原突發(fā)威脅航跡段，整個飛行過程中，無人機根據(jù)獲得的威脅信息，不斷修正參考航跡，直至達到目標節(jié)點。

（4）編隊控制技術(shù)。

在數(shù)學(xué)上，保持一定空間距離的無人機集群可以看作一個高階群系統(tǒng)時變編隊問題，其控制問題很有挑戰(zhàn)性，且通訊時延的存在又為編隊分析增加了難度。應(yīng)用過程中，大規(guī)模的無人集群必須迅速并準確地分布于各個作業(yè)區(qū)域，進行有效的編隊。大規(guī)模無人機集群，從其特征上看，是一類非線性復(fù)雜系統(tǒng)，具有群體智能涌現(xiàn)固有的復(fù)雜性和隨機性的特性，其控制方法跟傳統(tǒng)方法有很大的區(qū)別。集群系統(tǒng)可以視為大量弱耦合子系統(tǒng)的集成，每個個體均具有一定的自主能力，但其能力具有局限性，而且集群中每個個體必須相互配合與協(xié)調(diào)才能完成復(fù)雜任務(wù)，因而，集群無人機具有分布式控制的本質(zhì)特征。單一方法控制無人機集群往往不夠理想，可以采用一些外部干預(yù)，并進行控制規(guī)則深度化和廣度化對集群效果進行量化研究，使得不同作業(yè)的無人機集群能夠進行精準的單機或多機協(xié)同，達到所預(yù)期的要求。

可與預(yù)見，在不遠的未來，隨著無人機集群技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，不僅將對軍事領(lǐng)域造成巨大影響，也將推動無人機產(chǎn)業(yè)在民用市場持續(xù)爆發(fā)，再掀產(chǎn)業(yè)發(fā)展的高潮。