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無人機整機
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無人機服務(wù)
設(shè)備與工具你是否曾經(jīng)為天空中大規(guī)模的歐椋鳥群所構(gòu)成的巨大圖案感到震驚過？你是否會被魚群環(huán)繞成巨大的球體以抵抗鯊魚的侵襲而傷感過？你又是否幻想過，當(dāng)某天鋪天蓋地而來的不是鳥群，卻是帶有精準(zhǔn)目標(biāo)識別與定位系統(tǒng)的無人機群時，你該作何反應(yīng)？北京大學(xué)水下機器人設(shè)計與集群控制博士，北京科技大學(xué)無人機集群控制講師賈永楠為我們帶來《科研小世界，人生大夢想——從生物集群行為到無人機集群》。
大家好，我是賈永楠，是一名普通的科研工作者。我平時最大的愛好，就是在自己科研的小世界里面不斷地探尋。但我很喜歡把我的科研的成果和生活聯(lián)系起來，因為萬事萬物其實充滿著千絲萬縷的聯(lián)系。從一個小小的科研領(lǐng)域出發(fā)，也許就會串聯(lián)起許多看似毫無關(guān)聯(lián)的故事。我想帶著大家一起，從一個科研工作者的角度看一看集群的世界，以及它所帶給我們的一些驚喜。
無人機在如今社會里，應(yīng)該是比較普遍的了；大家應(yīng)該或多或少地聽過、看過或者使用過無人機。那么我們先開一個腦洞：一架、十架或者一百架無人機，你能想到最酷的使用方法是什么？
就我自己而言，我認(rèn)為最酷的無人機使用方式是集群。
無人機的應(yīng)用，在軍事上也許會有無限的可能性。如果我們能夠釋放出成千上萬架無人機，它們就能夠穿透敵人的重重炮火、層層防御，抵達(dá)最終的目標(biāo)實施打擊或者是偵查任務(wù)。而且，無人機的成本非常低，它的載荷也只是一點點的炸藥，所以即便被敵方捕獲，也不必?fù)?dān)心泄密——從前我們研制的一些高大上的設(shè)備（比如軍用的設(shè)備和導(dǎo)彈），一旦被擊落就有可能技術(shù)泄密。
再舉一個生活化的例子。2017-2018跨年的時候，布達(dá)佩斯上演了一場非常美妙的煙火秀。大概30架無人機，攜帶彩色的燈光和煙火升空，先擺成2017的字眼，然后燃放煙花、變換隊形，再呈現(xiàn)出2018的字眼，代表著從2017過渡到2018。我相信很多觀眾可能都看過無人機帶來的燈光秀，它通常一般就是擺出一些漂亮的字眼，再進(jìn)行一些簡單的變換；但是無人機攜帶煙火去空中釋放，也是一個非常美妙的場景。
無人機也可以演奏一些比較簡單的音樂會：有的彈奏電子琴，有的敲擊打擊樂器，還有的撥動琴弦。
通過前面的例子，可以發(fā)現(xiàn)：一個功能簡單的機器人，通過大量組合就可能完成非常復(fù)雜的任務(wù)，成本還相對比較低——就是我們常說的“集體力量大”。
無人機去集體完成任務(wù)，個體之間需要進(jìn)行信息的交互，也就是要組成信息的網(wǎng)絡(luò)。同時，只需要攜帶一些具有簡單目標(biāo)識別和定位功能的載荷，它們就可以完成很多復(fù)雜的任務(wù)。執(zhí)行軍事任務(wù)，就攜帶炸藥；展示燈光秀，就攜帶彩燈；上演煙火秀，就攜帶煙火；演奏音樂會，就攜帶必要按鍵。
大家可能注意到了，前面說的無人機集群的表演，都是用四旋翼無人機去實現(xiàn)的，目前這種技術(shù)也是相對比較成熟的。但是四旋翼無人機它有一個非常大的問題——它也有噪聲，而且是無可避免的。那么，假設(shè)有一天無人機可以實現(xiàn)靜音飛行，是不是就可以做更多的事情呢？
如何讓無人機可以實現(xiàn)靜音飛行呢？靈感可能來自于哪里？夏天蚊子靠近人的時候，是不是感覺不到它的存在？
實際上，很多時候我們研究的靈感都源自大自然。比如歐椋鳥，它們在進(jìn)食之后要回歸巢穴，而中間有一段很長的距離，如果單獨返回就很容易被捕食者侵害。所以，它們就會成群結(jié)隊、集體回家。這時候，就會在空中呈現(xiàn)出一個美輪美奐的景象：上百萬只歐椋鳥自由地流動，呈現(xiàn)出各種各樣的場景。有時候像沙畫，有時候像一只鳥，變幻莫測。
再看一下沙丁魚群，它們通過帶動相近的沙丁魚逃開，最終鯊魚就吃不到任何食物，這也是它們能夠在自然界中得以生存下來的一種方式。
我們剛才看了兩個例子，知道了自然界中的群居動物在遷徙捕食或者躲避敵害的時候，常常會呈現(xiàn)集體行為。那背后的機理到底是什么呢？
我們可以一起來做一個小實驗。請大家都舉起右手，然后前后隨意擺動——看上去亂七八糟的。但是如果盡量和周圍人保持一致，最終所有人就會以一致的頻率，甚至一樣的幅度前后擺動。
實際上，這就簡單地解釋了為什么鳥群和魚群可以保持一致的行為。這個力，我們在物理上稱為“粘滯力”，也是動物界中集群行為的一個最基本的機理。
我們剛剛也看到了，沙丁魚群會形成高速旋轉(zhuǎn)的球體，這又是怎樣實現(xiàn)的？
左邊這幅圖是螞蟻，它們發(fā)現(xiàn)食物的時候會把食物團(tuán)團(tuán)圍住，并且高速地旋轉(zhuǎn)起來。這就說明目標(biāo)源對它們的行為是有影響的，我們把這個力定義為“吸引力”。目標(biāo)源集中在場地中間，對每一個螞蟻都會有一個指向中心的吸引力，就導(dǎo)致它們圍繞目標(biāo)高速旋轉(zhuǎn)起來了。
我們現(xiàn)在知道了自然界的集群現(xiàn)象，也分析了背后可能的機理，接下來該怎么做？
作為一個科研工作者，首先想到的就是建模與仿真，因為這是驗證結(jié)論是否正確的一個非常直接而又簡單的方法。
我們把每個個體假想成質(zhì)點，然后把假想的控制策略加進(jìn)去，就可以復(fù)現(xiàn)出動物的集群行為，以此來檢驗策略到底是對還是錯。
比如，在一個正方形的產(chǎn)場地內(nèi)，分布著若干個小個體。施加粘滯力和吸引力后，會發(fā)現(xiàn)它們能夠像歐椋鳥一樣自由地在游動，并且保持一致的方向，彼此間還不會發(fā)生碰撞，就驗證了集群的策略是正確的。
那么，把機器人本身的模型加進(jìn)去，要怎么做呢？就是說，能不能讓它們保持集群的行為，同時按照我們指定的軌跡走？
初始的時候，在長方形的區(qū)域里隨機分布著幾條紅色的魚，后來引入一條黃色的魚作為領(lǐng)導(dǎo)者。我們給領(lǐng)導(dǎo)者規(guī)定軌跡，然后讓其它紅色的魚跟隨它的行為。最終我們發(fā)現(xiàn)，所有的紅魚都會匯集到黃魚的周圍，并且保持一個密集、緊致的隊形一起運動下去。
應(yīng)用這個原理，煙火秀可以呈現(xiàn)出特殊的字眼或圖案。其實很簡單：固定好隊形后，讓每架無人機記住和鄰居之間的固定距離，通過調(diào)整距離，最終就能形成所期望的隊形。
還可以實現(xiàn)舞者和無人機共舞。無人機在天上飛，我們可能很難控制它的軌跡；但如果給地面上的舞者手上加一個信號器——就像黃魚一樣，無人機就會跟隨信號器運動，向左或向右旋轉(zhuǎn)。
老子的《道德經(jīng)》里曾提到：“一生二，二生三，三生萬物?！睂嶋H上就是告訴我們，萬事萬物都是從簡單到復(fù)雜，從個體到群體，從單體的智能到群體的智能，大家都是這樣慢慢繁衍下來的。
每個人生而平等，都是獨特的個體，但會慢慢變得不同——這取決于很多的因素，比如遺傳，比如后天環(huán)境的歷練。
剛剛的仿真，我們是把每個個體都假想成一個粒子，每個粒子都是一樣的——一樣的能力，一樣的運動學(xué)規(guī)律，最后形成一種集群的行為。那么，個體差異對集群行為有著怎樣的影響？考慮個體差異的集群行為到底是什么樣呢？
以蜜蜂為例，按照進(jìn)化論的思想，假設(shè)最早的時候只有那么幾只蜜蜂，但是隨著時間的推移，它們之間就會選出一只比較厲害的成為蜂王。但是，蜂王能領(lǐng)導(dǎo)的蜜蜂數(shù)量是有限的，所以當(dāng)更多的個體來臨的時候，它們就另起爐灶形成了另外的團(tuán)隊。如此層層繁衍，最終就形成了層級化的結(jié)構(gòu)。
實際上，這種分層結(jié)構(gòu)在人類社會也普遍存在。比如學(xué)校里面，有校長、院長、班長；軍隊里面，有軍長、師長、團(tuán)長。
那么，集群行為里，到底是平等主義好，還是層級主義好呢？
這個問題可以通過仿真來驗證。實際上，鳥也好，魚也好，它們的運動都不是直直地往前走，總是有一些擾動。所以我們就加入了一些擾動。然后我們就會發(fā)現(xiàn)，層級化的結(jié)構(gòu)好像一直比較穩(wěn)定，而平等的結(jié)構(gòu)慢慢地就分散掉了，從一個整體變成了若干的小團(tuán)隊。
其實說了這么多，我想跟大家分享的其實是一件很簡單事。我眼中的科學(xué)實際上并不復(fù)雜，它就在你我的身邊：問題呢源于生活，解決思路也源于生活，源于自然界。我們做那么多科研，研究了那么多科技，最終的目標(biāo)還是服務(wù)于生活，增加我們的幸福感。
作為一名科研工作者，生命不息，科研就不止，這是我自己的承諾。如今，戰(zhàn)爭已經(jīng)是沒有硝煙的戰(zhàn)爭了，不會為了爭奪地盤或者資源去打仗，更多的是對科技、人才和知識的爭奪。有志于報國的青年人士，必將實現(xiàn)我們偉大的中國夢。
我的分享就是這些，謝謝大家。
演講嘉賓賈永楠：《科研小世界，人生大夢想——從生物集群行為到無人機集群》
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