看集群技術(shù)如何改變無人機(jī)

2017年12月7日晚，廣州。在 《祝酒歌》合唱聲中，1 180架無人機(jī)編隊(duì)從海心沙起飛，亮燈組成“財(cái)富”兩字，引得現(xiàn)場市民齊齊仰頭觀看。隨后無人機(jī)編隊(duì)多次變換陣型，利用“科技舞蹈”給大家?guī)眢@喜。其中一段無人機(jī)模擬降雪的現(xiàn)場視頻，被網(wǎng)友爭相轉(zhuǎn)發(fā)。

多架無人機(jī)編隊(duì)的飛行表演，在國內(nèi)并非首次。就在2017年2月11日，1 000架無人機(jī)編隊(duì)曾在同一地點(diǎn)以夜空為幕，描畫了金雞報(bào)曉、喜迎新年、福從天降、祖國河山等有美好寓意的光影作品。雖然不少人認(rèn)為，從技術(shù)細(xì)節(jié)來看，這樣的表演只能算作無人機(jī)編隊(duì)，而非真正的集群飛行。但從最近一段時(shí)間無人機(jī)的相關(guān)報(bào)道來看，美國和中國一直在做集群飛行的研究。集群技術(shù)不僅與編隊(duì)飛行存在一定的聯(lián)系，還將成為未來軍用作戰(zhàn)的一種模式。

一、集群行為的由來和概念

集群是生物的一種集體行為。向南遷徙的大雁、分工協(xié)作的蜜蜂、海中覓食的魚群，都是典型的集群行為（圖1、圖2）。從外觀上看，集群就是一群生物個(gè)體聚集在一起，兜圈或朝特定方向行動(dòng)。

從數(shù)學(xué)模型的角度來看，集群是一種突變行為。在集群行為中，生物個(gè)體遵循簡單的運(yùn)動(dòng)和邏輯規(guī)則，不需要任何中央?yún)f(xié)調(diào)，就能自然而然地呈現(xiàn)群體特征。最簡單的集群數(shù)學(xué)模型遵守如下3個(gè)原則：

1.個(gè)體沿著鄰居相同的方向移動(dòng)；

2.個(gè)體保持靠近鄰居；

3.個(gè)體避免與鄰居碰撞。

下面以魚類集群為例，分析一下生物集群的簡化模式。圖3是魚群的度量距離模型，每條魚都按這樣的模式游動(dòng)：排斥近距離范圍的其他個(gè)體；跟隨中等距離的其他個(gè)體；吸引較遠(yuǎn)距離的其他個(gè)體。圖4是魚群的拓?fù)渚嚯x模型：每條魚只關(guān)注距自己最近的6 - 7條魚，而不關(guān)注其他距離較遠(yuǎn)的個(gè)體。

二、集群無人機(jī)的

發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

無人機(jī)起源于軍事領(lǐng)域，經(jīng)過幾十年，目前已經(jīng)進(jìn)入了快速發(fā)展期。隨著種類越來越多，無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，能執(zhí)行的任務(wù)類型也越來越廣泛。與有人機(jī)相比，無人機(jī)可有效避免人員傷亡，不僅具有持續(xù)工作能力強(qiáng)、全壽命周期成本低等優(yōu)點(diǎn)，而且在尺寸、速度、機(jī)動(dòng)性等方面有獨(dú)特的優(yōu)勢。在軍事領(lǐng)域，無人機(jī)可以執(zhí)行監(jiān)視、偵察、干擾、打擊等任務(wù)（圖5）；在民用方面，可用于農(nóng)業(yè)植保、森林防火、電力（管道）巡檢、地質(zhì)勘探、航拍測繪、氣象探測等領(lǐng)域。由于單架無人機(jī)所能攜帶的任務(wù)載荷相對(duì)單一，執(zhí)行任務(wù)能力有限，而通過多架無人機(jī)的能力互補(bǔ)和行動(dòng)協(xié)調(diào)，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)效能的提升，因此其應(yīng)用正逐步從單平臺(tái)向多平臺(tái)集群方向發(fā)展（圖6）。

無人機(jī)集群，指借鑒自然界的自組織機(jī)制，使具備有限自主能力的多架無人機(jī)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(yīng)，實(shí)現(xiàn)較高程度的自主協(xié)作，從而能在盡量少的人員干預(yù)下完成預(yù)期的任務(wù)目標(biāo)。

自主集群飛行技術(shù)具有下列3個(gè)重要特點(diǎn)：

1.無中心化：沒有一個(gè)個(gè)體處于中心控制主導(dǎo)飛行的地位。一旦有任何一個(gè)個(gè)體消失或喪失功能，整個(gè)群體依然有序地飛行。

2.自主化：飛行期間無人為操控，所有個(gè)體只控制自身飛行、觀察臨近個(gè)體位置，但不對(duì)任何其他個(gè)體產(chǎn)生主觀影響作用。

3.自治化：所有個(gè)體自然形成一個(gè)穩(wěn)定的集群結(jié)構(gòu)，一旦有任何一個(gè)個(gè)體因喪失功能脫離群體或因任何原因改變?nèi)后w結(jié)構(gòu)位置，新的集群結(jié)構(gòu)排列會(huì)快速自動(dòng)形成并保持穩(wěn)定。

因此，開篇中提到的1 180架無人機(jī)飛行表演，只能算編隊(duì)飛行，相比集群飛行還有一定差距。

總的來說，集群屬于無中心組織控制的行為，而編隊(duì)飛行則是有中心組織控制的。雖然無人機(jī)集群中個(gè)體數(shù)量的多少是一個(gè)影響因素，但真正的難度在于無人機(jī)自主性的高低，以及個(gè)體數(shù)量增多以后帶來的集群協(xié)同性問題。

隨著自主技術(shù)的深化應(yīng)用，無人機(jī)集群系統(tǒng)已成為無人機(jī)的一個(gè)重要發(fā)展方向。通過緊密協(xié)作，無人機(jī)集群系統(tǒng)可以體現(xiàn)出比有中心組織控制系統(tǒng)更卓越的協(xié)調(diào)性、智能性和自主性。美國國防部曾發(fā)布過一份《無人機(jī)系統(tǒng)路線圖2005 - 2030》，將無人機(jī)自主控制等級(jí)分為1 - 10級(jí)，并指出“全自主集群”是無人機(jī)自主控制的最高等級(jí)。在路線圖的最后，美國國防部大膽預(yù)測，2025年后無人機(jī)將具備全自主集群能力。

目前國內(nèi)外對(duì)集群無人機(jī)的研究主要集中在理論研究及技術(shù)驗(yàn)證方面，內(nèi)容包括任務(wù)分配、路徑規(guī)劃、協(xié)同控制搜索、集群算法等。

三、國內(nèi)集群無人機(jī)

發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)對(duì)集群無人機(jī)的理論研究主要集中在大專院校和科研院所。目前，中國科學(xué)院、清華大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、空軍工程大學(xué)、國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、華中科技大學(xué)等已經(jīng)開展了這方面的研究。另一方面，航空工業(yè)、航天11院、中國電子科技集團(tuán)等國內(nèi)企事業(yè)單位正致力于集群無人機(jī)的工程技術(shù)驗(yàn)證，且取得了驕人的成績。而北京泊松技術(shù)有限公司、廣州億航智能技術(shù)有限公司、零度智控智能科技有限公司等私營企業(yè)，也在進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

1.航天11院

航天11院的“五站四機(jī)”協(xié)同飛行試驗(yàn)，是國內(nèi)無人機(jī)集群試驗(yàn)最高水平的一個(gè)范例。該試驗(yàn)用的是大型察打一體無人機(jī)“彩虹”4（圖7），不僅多機(jī)間可以相互感知、相互協(xié)作，而且通過機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)，地面控制站可實(shí)現(xiàn)超視距測控。

“五站四機(jī)”任務(wù)飛行完成了超視距飛行、衛(wèi)通視距接力、多路衛(wèi)通同傳、多機(jī)態(tài)勢監(jiān)視及協(xié)同飛行等多個(gè)科目。任務(wù)的圓滿完成，標(biāo)志著“彩虹”系列無人機(jī)開始邁向新的應(yīng)用方向，即“有人機(jī)-無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)”。實(shí)現(xiàn)多區(qū)域偵察/監(jiān)視/打擊及控制的作戰(zhàn)演練，開啟了高密度、大規(guī)模集群作戰(zhàn)的新途徑，為“有人-無人聯(lián)合”任務(wù)奠定了基礎(chǔ)。未來，“彩虹”系列無人機(jī)還可向無人機(jī)集群協(xié)同方向發(fā)展。

2.中國電子科技集團(tuán)

2017年6月，中國電子科技集團(tuán)公司聯(lián)合清華大學(xué)、北京泊松技術(shù)有限公司測試了119架固定翼無人機(jī)編隊(duì)飛行。在試驗(yàn)中，119架小型固定翼無人機(jī)成功演示了密集彈射起飛、空中集結(jié)、多目標(biāo)分組、編隊(duì)合圍、集群行動(dòng)等科目。

3.北京泊松技術(shù)有限公司

北京泊松技術(shù)是一家做無人機(jī)控制的初創(chuàng)技術(shù)公司，集群控制是其研究的一個(gè)重要方面。該公司的研究包括規(guī)模集群的控制算法、自主智能控制算法、動(dòng)態(tài)無中心自組網(wǎng)技術(shù)、群體環(huán)境感知與碰撞規(guī)避、動(dòng)態(tài)任務(wù)分配等。

2016年11月，該公司在珠海航展上展示了67架規(guī)模固定翼無人機(jī)集群（圖8），用來驗(yàn)證無人機(jī)集群的控制技術(shù)、路徑重規(guī)劃算法、任務(wù)分配算法、感知避撞算法和基于Ad Hoc協(xié)議的自組網(wǎng)通信系統(tǒng)。不過現(xiàn)在他們也在謀求將該技術(shù)用于民用領(lǐng)域，如固定翼無人機(jī)編隊(duì)飛行表演、面向游樂園的燈光秀，以及協(xié)同作業(yè)無人機(jī)對(duì)地觀測、無人機(jī)物流快遞等。

4.廣州億航智能技術(shù)有限公司

2016年6月16日，為迎接京東618全民購物狂歡節(jié)，億航在北京上演了一場無人機(jī)編隊(duì)表演。當(dāng)時(shí)，30架多旋翼無人機(jī)組成的集群先按照預(yù)先設(shè)定的路線，根據(jù)定位坐標(biāo)飛至夜空并組成“618”造型，然后按照預(yù)先設(shè)定的順序依次點(diǎn)亮機(jī)載LED燈，成為夜空中流動(dòng)的霓虹燈。此后，億航智能科技有限公司在無人機(jī)編隊(duì)表演上投入了更大心力，為大眾呈現(xiàn)了好幾幕經(jīng)典的飛行表演。

2017年2月11日，在廣州市中心海心沙廣場，1 000架億航無人機(jī)編隊(duì)，為市民呈現(xiàn)了一場名為“天幕流星·千機(jī)變”的科技匯演盛宴，以科技與藝術(shù)結(jié)合的創(chuàng)新方式喜慶元宵。2017年12月7日，依然在廣州，1 180架億航無人機(jī)編隊(duì)從海心沙起飛，在廣州地標(biāo)性建筑——“小蠻腰”旁亮燈表演，給觀眾帶來了諸多驚喜。

5.零度智控智能科技有限公司

零度智控2017年新品——掌上自拍機(jī)Dobby，集成了與Parrot類似的跳舞功能（圖9）。該無人機(jī)可利用向下的攝像頭，識(shí)別地面二維碼進(jìn)行空間定位，并執(zhí)行預(yù)先設(shè)定好的舞蹈動(dòng)作。

這并非零度智控首次觸電無人機(jī)編隊(duì)飛行。早在2016年5月1日，零度智控（北京）的8臺(tái)自主創(chuàng)新Pioneer無人機(jī)就在中央電視臺(tái)“五一”國際勞動(dòng)節(jié)特別節(jié)目上實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)無人值守的機(jī)群編隊(duì)飛行表演。（未完待續(xù)）