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設(shè)備與工具導(dǎo) 語：近年來，無人機集群技術(shù)概念的提出及發(fā)展，有效解決了單個無人機作業(yè)時載荷相對較小，信息感知處理能力相對較弱的不足。無人機集群技術(shù)的研究與應(yīng)用已成為無人機技術(shù)發(fā)展的一個重要方向，無人機集群不但能通過單機間的密切協(xié)作， 有效提升載荷能力和信息處理能力，并且無人機集群具有很高的“自愈”能力和很強的魯棒性。本文主要介紹了無人機集群技術(shù)的相關(guān)概念、國內(nèi)外無人機集群技術(shù)研究現(xiàn)狀、差異以及無人機集群發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)和未來無人機集群技術(shù)發(fā)展趨勢，為開展無人機集群的研究提供理論基礎(chǔ)。
0 引 言
集群概念源于生物學(xué)研究。在自然界中，歐椋鳥群、鴿群、雁群、蟻群、蜂群、狼群等大量個體聚集時往往能夠形成協(xié)調(diào)一致、令人震撼的集群運動場景。法國生物學(xué)家Pierre Paul Grasse基于白蟻筑巢行為，首次提出了生物集群的概念，并開始了智能集群的研究。典型生物集群行為如圖1所示。
圖1 典型生物集群行為
單無人機的應(yīng)用，由于受自身條件的限制，面對應(yīng)用環(huán)境的日益復(fù)雜以及任務(wù)多樣，頗顯局限。在軍事應(yīng)用上，單機易受自身的燃料、質(zhì)量和尺寸的限制，無法形成持續(xù)有力的打擊力度；在民用上，受載荷能力、機載傳感器以及通信設(shè)備的限制，單架無人機不能很好地完成農(nóng)林植保、測繪、搶險救災(zāi)等任務(wù)；在警用安保上，單架無人機也會因被攻擊或自身故障導(dǎo)致任務(wù)失敗等。為解決單無人機應(yīng)用的局限性，美國空軍科學(xué)顧問委員會提出未來無人機的應(yīng)用將是以集群的方式。
無人機集群是指由一定數(shù)量的同類或異類無人機組成，利用信息交互與反饋、激勵與響應(yīng)，實現(xiàn)相互間行為協(xié)同，適應(yīng)動態(tài)環(huán)境，共同完成特定任務(wù)的自主式空中智能系統(tǒng)。
無人機集群不是多無人機間的簡單編隊，而是通過必要的控制策略使之產(chǎn)生集群協(xié)同效應(yīng)，從而具備執(zhí)行復(fù)雜多變、危險任務(wù)的能力。未來，無人機集群協(xié)同完成任務(wù)將成為無人機產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的重要方面。無人機集群既能最大限度地發(fā)揮無人機的優(yōu)勢，提高整體的載荷能力和信息感知處理能力，又能避免單無人機執(zhí)行任務(wù)時被攻擊或任務(wù)效率不高的問題。
1 國內(nèi)外無人機集群技術(shù)研究現(xiàn)狀
無人機已被各國廣泛用于國防建設(shè)和民用領(lǐng)域，隨著無人機技術(shù)的深入研究，無人機自主集群系統(tǒng)能夠通過緊密的協(xié)作完成各種復(fù)雜多變的任務(wù)，并且具備卓越的協(xié)調(diào)性、智能性和自主性，已成為無人機研究的一個重要方向。無人機集群作戰(zhàn)是指一組具備部分自主能力的無人機通過相關(guān)的輔助操作，在作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)監(jiān)控下，完成作戰(zhàn)任務(wù)的過程。美國國防部在《無人機系統(tǒng)路線圖2005-2030》中指出，到2025年，集群無人機將具備戰(zhàn)場認知能力，能夠?qū)崿F(xiàn)完全自組織作戰(zhàn)。
1.1 國外無人機集群技術(shù)研究現(xiàn)狀
1.1.1 無人機集群分層控制研究現(xiàn)狀
對無人機集群實施有效的控制是完成各種復(fù)雜集群任務(wù)的基礎(chǔ)。Cook W.J.等人認為，無人機集群任務(wù)規(guī)劃問題屬于復(fù)雜問題的組合優(yōu)化，擬從運籌學(xué)角度，采用分層控制方法解決此類問題。Boskovic J.D.等人將無人機集群任務(wù)規(guī)劃問題分解為決策層、路徑規(guī)劃層、軌跡生成層和控制層，其中，決策層負責(zé)無人機集群系統(tǒng)中的任務(wù)規(guī)劃與分配、避碰和任務(wù)評估等；路徑規(guī)劃層負責(zé)將任務(wù)決策數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成航路點，以引導(dǎo)無人機完成任務(wù)、規(guī)避障礙；軌跡生成層根據(jù)無人機姿態(tài)信息、環(huán)境感知信息生成無人機通過航路點的可飛路徑；控制層控制無人機按照生成的軌跡飛行。無人機集群任務(wù)規(guī)劃分層結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 無人機集群任務(wù)規(guī)劃分層結(jié)構(gòu)示意圖
Tsourdos A等從多無人機任務(wù)協(xié)同路徑規(guī)劃的方向?qū)⒍鄼C協(xié)同任務(wù)規(guī)劃分為集群任務(wù)規(guī)劃分配層、協(xié)同路徑規(guī)劃層、控制層等三個層次[13]。研究表明，分層控制能夠降低無人機集群中任務(wù)分配問題的復(fù)雜性，提高集群任務(wù)分配效率。
1.1.2 無人機集群控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀
根據(jù)集群控制系統(tǒng)中有無控制中心節(jié)點，分為集中式控制與分布式控制系統(tǒng)。集中式控制系統(tǒng)是由控制中心節(jié)點完成系統(tǒng)的任務(wù)規(guī)劃和協(xié)同工作，多機系統(tǒng)中的無人機只作為任務(wù)的執(zhí)行者。目前，已有多種集中式任務(wù)規(guī)劃的研究方法，如多旅行商問題、車輛路由問題、網(wǎng)絡(luò)流模型、混合整數(shù)線性規(guī)劃等。其中網(wǎng)絡(luò)流模型、混合整數(shù)線性規(guī)劃多用于解決多任務(wù)時使用。
分布式控制系統(tǒng)中沒有控制中心節(jié)點，對單機來說在系統(tǒng)中地位是平等的，采用自主管理、協(xié)商的方式完成任務(wù)。如歐洲信息社會技術(shù)計劃（IST）開展的異構(gòu)無人機集群實時協(xié)同與控制項目（COMETS）采用的就是異構(gòu)無人機集群分布式實時控制技術(shù)。
1.1.3 無人機集群任務(wù)協(xié)同算法研究現(xiàn)狀
針對無人機集群任務(wù)規(guī)劃復(fù)雜問題，Ramirez- Atencia C 提出了一種改進型多目標遺傳算法來求解任務(wù)規(guī)劃問題。E.Edison等針對無人機集群系統(tǒng)對執(zhí)行多任務(wù)目標易受時間先后順序約束的情況，采用圖論描述方法，結(jié)合時間、資源、路徑等多個條件，建立了“協(xié)同多任務(wù)分配問題”的組合優(yōu)化模型。該模型能較好的解決多無人機任務(wù)協(xié)同規(guī)劃問題，但建立模型后需要采用廣度或深度優(yōu)先搜索算法、Dijktra算法等確定性的圖搜索算法，或采用分支定界、動態(tài)規(guī)劃以及遺傳算法、粒子群算法、模擬退化算法等啟發(fā)式隨機搜索算法。采用上述算法雖然能找到問題最優(yōu)解，但是隨著問題規(guī)模的擴大，尋找最優(yōu)解的計算量增大。為降低大型問題的計算量，S.J.Rasmussen等提出基于樹搜索算法解決無人機集群的任務(wù)規(guī)劃問題。該算法既能快速找到問題最優(yōu)解，又能避免確定性搜索算法計算量大的缺點。
1.1.4 無人機集群體系結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀
無人機集群的動態(tài)性和復(fù)雜性特征決定了體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變。在無人機體系結(jié)構(gòu)研究上，大多采用的是層次遞進型體系結(jié)構(gòu)，采用遞階型體系結(jié)構(gòu)可降低集群系統(tǒng)復(fù)雜性，提高集群系統(tǒng)運行的效率。其代表性研究有：Caloud P等經(jīng)過研究將無人機集群體系結(jié)構(gòu)分為任務(wù)分解、分配、規(guī)劃和執(zhí)行控制四層，并建立“GOPHER”體系結(jié)構(gòu)模型。Parker L E基于行為建立ALLIANCE分布式體系結(jié)構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu)是具有容錯和自適應(yīng)性的多機協(xié)調(diào)體系結(jié)構(gòu)。L?ngle T等為解決多機體系結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)問題，對多機容錯行為和誤差糾正的研究建立了KAMARA的分布式體系結(jié)構(gòu)模型。
1.1.5 無人機集群通信網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀
無人機集群通信網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)有別于單機與地面站的通信拓撲，是一種立體全方位通信網(wǎng)絡(luò)拓撲。集群通信網(wǎng)絡(luò)感知系統(tǒng)不僅是無人機集群通信的基礎(chǔ)，還是無人機集群編隊重要信息的獲取通道。為解決無人機集群通信中的時延、數(shù)據(jù)丟失、信號衰落問題，Ghazal A等基于諧波疊加方法建立IMT-A信道模型。由于無人機集群系統(tǒng)的應(yīng)用場景通常在室外環(huán)境，為此，Petkovic M等基于室外環(huán)境中紅外波段光譜的信號傳輸，以及相關(guān)的光天線通信（OWC）技術(shù)，建立了無人機的自由空間光通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)在一定程度上能夠解決通信帶寬、數(shù)據(jù)擁堵、時延等問題，并基于光電信號轉(zhuǎn)換技術(shù)，在視距范圍內(nèi)能夠滿足系統(tǒng)要求，但易受大氣低溫、海拔和氣壓的影響。
1.2 國內(nèi)無人機集群技術(shù)研究現(xiàn)狀
國內(nèi)對無人機集群技術(shù)的研究起步較晚，但對無人機集群技術(shù)任務(wù)規(guī)劃研究比較深入。目前，國內(nèi)北京航空航天大學(xué)、國防科技大學(xué)、中國電子科技集團電子科學(xué)技術(shù)研究院等單位圍繞多無人機系統(tǒng)的協(xié)同感知與信息共享、路徑實時規(guī)劃、自主編隊與編隊重構(gòu)、智能協(xié)同決策等技術(shù)開展了相關(guān)研究。2017年6月，中國電子科技集團成功完成119架小型固定翼無人機集群飛行試驗。
1.2.1 無人機集群任務(wù)規(guī)劃研究現(xiàn)狀
無人機集群任務(wù)是指需要多機協(xié)同完成的任務(wù)。無人機集群任務(wù)規(guī)劃是指針對不同的任務(wù)無人機集群系統(tǒng)選取不同的任務(wù)策略，對任務(wù)實施分組、規(guī)劃完成，它具有復(fù)雜性、準確性、以及實時性的特點。在進行無人機任務(wù)分配時既要保證任務(wù)優(yōu)先級、利益最大化、不同無人機執(zhí)行任務(wù)均衡性，又要盡量減少的任務(wù)執(zhí)行時間、縮短任務(wù)執(zhí)行路徑。
Hu X.X等人為解決集群無人機任務(wù)分配計算難度，將多無人機任務(wù)分配問題分為目標聚類、集群分配和目標分配三個層次，并進行實驗，結(jié)果顯示同等情況下該方法效率更高。岳源等人根據(jù)多無人機系統(tǒng)協(xié)同的特點，結(jié)合路程、通信、雷達傳感器能力、無人機自主化水平，建立了無人機集群偵察優(yōu)勢函數(shù)，并根據(jù)該函數(shù)建立目標任務(wù)分配模型，運用粒子群算法對多無人機偵察目標進行研究。葉媛媛以多目標為基礎(chǔ)，建立多目標整數(shù)規(guī)劃模型，分析了多機系統(tǒng)任務(wù)規(guī)劃問題。龍濤在合同網(wǎng)協(xié)議基礎(chǔ)上提出一種有限中心的分布式控制系統(tǒng)，用于解決在線實時的任務(wù)分配問題。柳林在多機系統(tǒng)研究中，提出基于合同網(wǎng)的NeA-MRTA和CA-MRTA算法，能更好地解決動態(tài)分布式任務(wù)分配問題。王慶賀等人提出使用改進遺傳算法解決多無人機協(xié)同過程中目標分配問題，采用特定的進化算子及染色體并利用環(huán)境信息，解決了路徑約束問題，建立了飛行代價模型。該改進算法改善了遺傳算子早熟問題，收斂速度更快。張浩森等人采用蟻群算法，建立目標群簡化的數(shù)學(xué)模型，解決了在目標區(qū)域被對方探測的時間和最小的路徑優(yōu)化問題。Yi Wei等提出了一種任務(wù)分配和調(diào)度的混合控制框架，并將動態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)用于該框架，很好地解決了無人機集群的動態(tài)任務(wù)規(guī)劃問題。王國強等設(shè)計了一種基于VR-Forces的分布式無人機編隊協(xié)同的任務(wù)規(guī)劃仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)解決了多無人機編隊實驗成本和風(fēng)險高的問題。
1.2.2 無人機集群路徑規(guī)劃研究現(xiàn)狀
無人機集群路徑規(guī)劃不僅要保證全局路徑最優(yōu)，完成任務(wù)時間最短，還要保證無人機集群在完成任務(wù)中單機能夠避障、單機間能夠避碰。為此，高曉光、宋紹梅等人采用分層方式，將無人機集群的系統(tǒng)航路規(guī)劃問題分為協(xié)同管理層、路徑規(guī)劃層和軌跡控制層等層，能較好地解決航路規(guī)劃問題。沈延航等對于無人機集群搜索靜止的多目標時，根據(jù)搜索理論，依據(jù)搜索域上回報率的狀態(tài)圖，并利用蒙特卡洛仿真，展開多無人機協(xié)同搜索的研究。經(jīng)研究得知，協(xié)同搜索比隨機搜索能更好利用無人機資源，提高無人機集群的效率。丁琳等基于Voronoi圖，引入?yún)f(xié)同變量及函數(shù)，生成與威脅相關(guān)聯(lián)的航路，并通過集結(jié)點得出狀態(tài)圖，使集群無人機都能到達任務(wù)目標，共同完成任務(wù)。柳長安等通過對多無人機協(xié)同偵察路徑規(guī)劃的研究，提出采用無人機執(zhí)行任務(wù)的總時間來衡量路徑規(guī)劃的優(yōu)劣。該方法將執(zhí)行偵察任務(wù)的有效時間轉(zhuǎn)化為有效偵察飛行距離，以此評價路徑規(guī)劃的優(yōu)劣。嚴平等人為解決無人機在未知復(fù)雜環(huán)境下的多任務(wù)航路規(guī)劃問題，提出多任務(wù)航路規(guī)劃框架。該框架能夠?qū)崟r解決遭遇威脅航路規(guī)劃問題，以避免碰撞造成無人機損毀。趙敏等人為達到減少無人機集群完成任務(wù)總時間和盡量縮短各無人機的航程，最大限度發(fā)揮無人機集群效能的目的，提出了啟發(fā)式的任務(wù)和航路綜合規(guī)劃方法。該方法能夠提高無人機集群的效率并能降低集群無人機的動力消耗。周歡等人為解決集群無人機的規(guī)避問題，彌補大規(guī)模集群系統(tǒng)控制的缺點，提出了基于規(guī)則的無人機集群系統(tǒng)飛行與規(guī)避自主協(xié)同控制方法。
1.2.3 無人機集群信息通信研究現(xiàn)狀
無人機集群能否達到預(yù)定的作戰(zhàn)效能，關(guān)鍵在于信息的獲取與傳遞，無人機信息通信高效運作是取得戰(zhàn)場信息權(quán)的關(guān)鍵。楊江華以螞蟻覓食行為作為理論模型，對蟻群算法進行研究，提出了以信息素視圖的無人機協(xié)同方法，提高了無人機集群的魯棒性，降低了無人機集群通信問題對集群系統(tǒng)的干擾。曹菊紅等人開發(fā)了基于智能的多無人機系統(tǒng)控制智能指揮系統(tǒng)，并通過專用通信實時共享信息，提高了無人機自主決策攻擊能力。周紹磊等針對多無人機間通信拓撲可能發(fā)生變化的情況，基于一致性方法設(shè)計了編隊控制器，解決了通信拓撲改變下的無人機集群軌跡控制與時變編隊控制問題。Liu Liu等基于IMT-A信道模型非平穩(wěn)衰落特性，建立隨機寬帶動態(tài)信道仿真模型，但硬件難以實現(xiàn)。夏進等建立改進型的SOS信道模型，實現(xiàn)了平穩(wěn)和非平穩(wěn)衰落信道的模擬，保證了通信信號的連續(xù)性，切換步驟簡單，易于實現(xiàn)。
1.2.4 無人機集群編隊隊形研究現(xiàn)狀
合理的無人機編隊隊形既能保證無人機集群在安全條件下快速完成集群任務(wù)，又能節(jié)省無人機的動力。Zhou Z W等基于對雁群的觀察和研究，討論了無人機編隊飛行與雁群飛行間的仿生理論，提出了仿雁群飛行方式的多無人機緊密編隊與控制方法理論。該方法能有效增加無人機編隊飛行的穩(wěn)定性，并且能減少集群無人機能量消耗。葉圣濤等人針對無人機集群自主編隊中的算法復(fù)雜、信息交互量大的問題，提出了基于智能突現(xiàn)下的分布式無人機集群編隊控制策略，建立了集群無人機模型，能夠使無人機在復(fù)雜條件下形成穩(wěn)定的多機編隊，但在該研究中沒有考慮通信延遲、數(shù)據(jù)丟包和通信噪聲的問題。井田等人針對傳統(tǒng)無人機集群在偵查中難以自適應(yīng)調(diào)整以匹配不同偵察環(huán)境的問題，提出基于區(qū)域信息熵的“數(shù)字草皮”及其植物量變化模型，并設(shè)計了目標區(qū)域—無人機集群持續(xù)偵察體系中的規(guī)?？刂品椒āＴ摲椒茉趶?fù)雜的任務(wù)背景下，提高無人機集群編隊的可重構(gòu)性和柔性。
陳杰敏等基于主從式編隊與通信拓撲理論，建立了二階一致性編隊控制系統(tǒng)，保證了無人機編隊的穩(wěn)定飛行。
1.2.5 無人機集群控制策略研究現(xiàn)狀
無人機集群控制策略是無人機集群的基礎(chǔ)，能夠解決不同類型無人機在集群編隊、隊形保持與重構(gòu)等相關(guān)集群問題。李欣等人針對控制對象的不確定性、目標任務(wù)的復(fù)雜多變提出了集群智能控制的概念。
段海濱等基于生物群集和無人機集群相似性出發(fā)，分析了二者自主控制的對應(yīng)關(guān)系，并探討了仿生物群集的無人機集群自主控制中的核心問題。羅德林等人為提高大規(guī)模無人機集群對抗策略的有效性，提出將多agent系統(tǒng)應(yīng)用到無人機集群系統(tǒng)中，將系統(tǒng)中單機視為獨立的agent，建立無人機獨立的單機行為集。景曉年等為解決無人機集群的運動控制問題，基于無人機的避碰、聚集和速度匹配規(guī)則，提出一種基于規(guī)則的運動控制方法，并根據(jù)規(guī)則建立了集群動力學(xué)模型和運動控制模型。朱創(chuàng)創(chuàng)等人基于分層控制和封裝的思想，將無人機控制系統(tǒng)分為執(zhí)行層和決策層。應(yīng)用領(lǐng)導(dǎo)—跟隨協(xié)同編隊控制算法，搭建了分布式控制的無人機集群編隊控制演示驗證系統(tǒng)。
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