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設(shè)備與工具2 國內(nèi)外無人機集群技術(shù)研究差異
國外對無人機集群技術(shù)的研究開始較早，側(cè)重于無人機集群技術(shù)的整體性研究。主要對無人機集群技術(shù)中的無人機集群結(jié)構(gòu)框架、控制與優(yōu)化技術(shù)、任務(wù)管理與協(xié)同等進行深入研究，并且取得了一定的成效。如美國國防部高級研究計劃局主導的自主編隊混合控制項目（MICA），該項目對協(xié)同任務(wù)分配、協(xié)同路徑規(guī)劃、混合主動與自主編隊控制、協(xié)同跟蹤、信息共享等有關(guān)無人機集群的技術(shù)進行全面的研究。美國廣域搜索彈藥項目（Wide Area Search Munitions，WASM）通過建立Multi UAV協(xié)同控制仿真平臺，采用分層控制與優(yōu)化技術(shù)，研究了復雜任務(wù)背景下如何增強無人機集群協(xié)同全域搜索與打擊能力。2006年，美國空軍技術(shù)研究院基于進化機制的同構(gòu)或異構(gòu)的無人機集群自組織行為，建立自組織框架，使集群無人機通過自然選擇和遺傳變異，實現(xiàn)自身和行為的不斷優(yōu)化，產(chǎn)生對環(huán)境和作戰(zhàn)任務(wù)的自適應(yīng)能力。
國內(nèi)由于現(xiàn)有技術(shù)的限制，無人機集群技術(shù)整體研究處于起步階段，但對多無人機自主協(xié)同控制中的信息感知與傳輸、編隊與隊形、避障與避碰等技術(shù)研究較為深入，理論成果較多。其中采用基于分層遞階的方法進行協(xié)同控制的研究取得的成果最多。如在多機協(xié)同方面，基于分層遞階控制思想，研究了多機任務(wù)分配、多機航跡規(guī)劃、多機編隊控制等內(nèi)容。在群體智能研究方面，北京航空航天大學段海濱教授長期從事基于仿生智能的無人機自主控制研究，研究成果顯著，主要研究了基于生物群集行為特性，建立了鴿群、雁群、狼群等典型生物群體智能模型，研究了從生物群體智能到無人機集群控制的理論映射。
3 無人機集群技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)
無人機集群對環(huán)境的對抗性和任務(wù)的復雜性，決定了無人機集群必須具有高度的自主能力和協(xié)同能力。生物界中歐椋鳥群、鴿群、狼群、蟻群等生物群體在集群活動中都表現(xiàn)為群體智能。無人機集群智能研究建模中，往往進行簡化，忽略了歷史因素對個體的影響，將其簡化為當前狀態(tài)的運動決策系統(tǒng)。應(yīng)將實際的因素加入群體智能，如視覺感知、集群中單機對外部不良因素的快速準確反應(yīng)以及個體間的交互等，充分考慮各種因素對群體智能的影響。綜合分析可以看出無人機集群技術(shù)發(fā)展的一些關(guān)鍵技術(shù)。
3.1 無人機集群態(tài)勢感知與信息共享
無人機集群的態(tài)勢感知與信息共享是無人機集群自主控制與決策的基礎(chǔ)。對于無人機集群來說，集群系統(tǒng)中的單機既是通信的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，又是信息感知與處理的節(jié)點。不同單機可搭載不同的傳感器獲取不同范圍、不同維度的信息，單機間通過相互間的密切協(xié)同，可以將不同無人機的信息進行融合、共享，為集群系統(tǒng)決策提供信息支持。無人機集群信息共享利用其集群飛行的通信系統(tǒng)，不僅能夠應(yīng)對強電磁干擾下的通信延遲、丟包等情況，還能將感知到的信息傳遞給其他個體，從而避免因單機感知能力、信息處理能力的限制導致集群系統(tǒng)功能的低下。
3.2 無人機集群編隊與智能決策控制
編隊是無人機集群執(zhí)行任務(wù)的形式和基礎(chǔ)。在無人機集群編隊的控制中要解決兩個關(guān)鍵問題：一是編隊的生成與保持，不同幾何圖形的隊形生成與變換，編隊隊形不變情況下的收縮、擴張以及旋轉(zhuǎn)等；二是避障以及避碰時隊形的動態(tài)調(diào)整與重構(gòu)，如遇到障礙時隊形的分離與結(jié)合，成員增加或減少時的隊形調(diào)整等。
無人機集群智能決策控制是實現(xiàn)無人機集群優(yōu)勢的核心。針對復雜的環(huán)境，動態(tài)的任務(wù)目標、威脅等無人機集群需具備實時任務(wù)調(diào)整和路徑規(guī)劃的能力，除態(tài)勢感知與信息共享外，還需實現(xiàn)無人機集群智能決策控制，以快速響應(yīng)動態(tài)變化，提高無人機集群完成任務(wù)的效率和魯棒性。
3.3 無人機集群中有人機與無人機協(xié)同技術(shù)
由于無人機集群技術(shù)理論研究與發(fā)展限制，短時間內(nèi)實現(xiàn)無人機的全自主智能控制難度較大。有人機與無人機的異構(gòu)機型集群協(xié)同是一個重要集群技術(shù)，有人機與無人機集群協(xié)同不等同于一般的不同類型的簡單協(xié)同。人工智能與人類智能、有人系統(tǒng)與無人系統(tǒng)的深度融合協(xié)同將成為未來無人機集群技術(shù)發(fā)展的重要方向。集群系統(tǒng)中有人機與無人機的協(xié)同實現(xiàn)了無人機進行態(tài)勢信息感知和有人機進行任務(wù)判斷決策空間上的分離，可完成高難度、危險系數(shù)高、復雜條件下的任務(wù)。
3.4 無人機集群移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
Ad Hoc網(wǎng)是一種多跳的、無中心的、自組織無線網(wǎng)絡(luò)，又稱為多跳網(wǎng)（Multi-Hop Network）、自組織網(wǎng)（Self-Organizing Network）。網(wǎng)絡(luò)中沒有固定的節(jié)點，每個節(jié)點都是活動的，并且隨機地與其他節(jié)點保持聯(lián)系。每一個節(jié)點又能作為一個路由器，能發(fā)現(xiàn)、連接、維持其他節(jié)點路由的功能。
國外無人機集群Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)研究處于初級階段，國內(nèi)的研究較少，目前無人機集群通信網(wǎng)主要是采用基站或無人機集群地面站對無人機實施控制。未來無人機集群網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)是移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，它能夠根據(jù)無人機集群的實際需要快速擴大和縮小，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有高的靈活性、擴展性和抗毀性。
4 無人機集群技術(shù)研究現(xiàn)狀
隨著人工智能的發(fā)展，特別是智能化無人機技術(shù)的發(fā)展，無人機集群系統(tǒng)將越來越復雜但也越來越智能。在數(shù)量上，無人機集群已從簡單的多機協(xié)同發(fā)展到成百上千架無人機協(xié)同。軍事上，無人機集群系統(tǒng)從簡單的執(zhí)行偵察任務(wù)到完成復雜情況下的察打一體任務(wù)。在集群無人機編隊情況看，無人機集群已從簡單的長機、僚機的交互協(xié)同模式，發(fā)展到根據(jù)任務(wù)發(fā)展變化自組織編隊的自主協(xié)同。在人機交互方面，無人機集群正向人機智能交互發(fā)展。
4.1 人工智能推動仿生智能無人機集群
在國發(fā)[2017]35號《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中指出開展群體智能基礎(chǔ)理論研究，研究群體智能結(jié)構(gòu)理論與組織方法、群體智能激勵機制與涌現(xiàn)機理、群體智能學習理論與方法、群體智能通用計算范式與模型。2017年12月，在我國工業(yè)和信息化部發(fā)布的《促進新一代人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展三年行動計劃（2018-2020）》中指出積極培育人工智能創(chuàng)新產(chǎn)品，促進人工智能技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，將無人機列為八大重點培育產(chǎn)品，并開展無人機智能飛控系統(tǒng)等研制?；谌斯ぶ悄茉O(shè)計無人機集群分布式控制框架，使得系統(tǒng)中的無人機僅在局部感知能力下，通過集群數(shù)據(jù)鏈技術(shù)，同其他無人機組建自組織智能交互網(wǎng)絡(luò)，并在外界環(huán)境觸發(fā)作用下，實現(xiàn)復雜的行為模式，具備學習能力，在群體層面涌現(xiàn)出智能。
通過對自然界中的螞蟻、鳥類、狼群等群居性生物研究，發(fā)現(xiàn)其具有高度集中協(xié)調(diào)一致的特點，表現(xiàn)為集群智能。目前對群集生物中的自組織性、自修復等的群體智能研究還在理論研究階段，未來將生物的群集智能特性應(yīng)用于無人機集群控制當中，將會使集群無人機具備仿生智能。
4.2 有人機與無人機共融集群
由于現(xiàn)階段無人機的感知系統(tǒng)、運算處理系統(tǒng)、決策系統(tǒng)智能化程度不高，不能在復雜的環(huán)境下自主完成各種任務(wù)。因此，采用有人機與無人機組成共融無人機集群完成任務(wù)，既能很好發(fā)揮有人機運算能力和人的決策處理突發(fā)事件能力，又能充分發(fā)揮無人機機動性強，隱身性好的優(yōu)勢，共融無人機集群將成為無人機集群的發(fā)展趨勢。2016年，美國空軍發(fā)布《小型無人機系統(tǒng)飛行規(guī)劃2016-2036》，其強調(diào)了有人機與無人機的集群共融作戰(zhàn)，并針對“忠誠僚機”集群作戰(zhàn)進行了說明，就是發(fā)展有人機與無人機集群編隊作戰(zhàn)。在《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中也多次提到“人機協(xié)同”，并把人機共融協(xié)同作為發(fā)展新一代人工智能關(guān)鍵共性技術(shù)體系的重點任務(wù)之一。中國工程院院士王天然提出“下一代機器人將實現(xiàn)人機共融”。由此可見，未來無人機集群的發(fā)展方向之一將是有人機與無人機的共融集群。
4.3 5G網(wǎng)聯(lián)無人機集群
據(jù)無人機行業(yè)有關(guān)預(yù)測，未來5年全球無人機市場的價值空間在705億美元，涵蓋世界各國和各個運用領(lǐng)域。但是無人機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展存在空域、數(shù)據(jù)鏈等痛點，無人機飛行的空域可以通過政府出臺相關(guān)政策予以解決。無人機產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)鏈痛點同樣也是無人機集群發(fā)展的壁壘。隨著5G技術(shù)的發(fā)展與成熟，未來5G網(wǎng)聯(lián)無人機能夠利用5G網(wǎng)絡(luò)地面、低空立體覆蓋、傳輸速度快，數(shù)據(jù)低延遲等優(yōu)點解決數(shù)據(jù)鏈痛點，能夠?qū)崟r監(jiān)測任何一架無人機的運行狀況。5G網(wǎng)聯(lián)無人機集群勢必使無人機集群的編隊與編隊重構(gòu)、任務(wù)協(xié)同、異構(gòu)無人機的協(xié)同、人機協(xié)同等無人機集群的優(yōu)點發(fā)揮到極致。5G網(wǎng)聯(lián)無人機將助推無人機集群技術(shù)的發(fā)展。
4.4 基于視覺的無人機集群
自然界中的生物感知外界物體的大小、形狀、明暗、顏色、空間位置、距離等重要信息，80%以上的信息是通過視覺功能獲取的?；谏疃葘W習技術(shù)的視覺感知在機器人、無人機等智能體上的應(yīng)用已非常廣泛且日趨成熟，特別是基于視覺的導航與避障技術(shù)的研究，實現(xiàn)了無人機在沒有GPS或GPS信號弱的情況下實現(xiàn)導航和避障。隨著單無人機通過視覺控制技術(shù)的成熟，使無人機集群能夠利用立體視覺技術(shù)進行信息獲取與交互、集群任務(wù)協(xié)同、集群編隊與隊形變換，完成復雜條件下目標識別判斷與精準任務(wù)成為可能。
4.5 未來無人機集群應(yīng)用
隨著無人機技術(shù)的發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用以及軍民融合戰(zhàn)略，未來我國無人機集群的應(yīng)用將更加廣泛。
在農(nóng)業(yè)植保上，無人機噴灑農(nóng)藥是人工噴灑效率的30倍，并且具有安全、防治效果好、成本低，并且不受地理環(huán)境限制等優(yōu)勢。我國有將近20億畝耕地，現(xiàn)階段95%以上耕地的植保還是人工加手動、電動機械噴霧機的方式進行植保作業(yè)。據(jù)有關(guān)預(yù)測顯示，假如有20%的耕地采用無人機集群進行植保，需求量在20萬架，其市場規(guī)模在100億以上。隨著無人機自主化水平的提高，以及植保無人機飛行算法的優(yōu)化、服務(wù)質(zhì)量的提高，未來在植保領(lǐng)域，無人機集群應(yīng)用市場將大有可為。
在航空測繪方面，采用無人機集群進行測繪作業(yè)能從多角度同時完成測繪，加上智能算法，就可以清晰地得到被測繪區(qū)域的三維圖像，并生成相應(yīng)的三維模型，比采用單機測繪作業(yè)的效果更好。與傳統(tǒng)衛(wèi)星測繪相比較，測繪的分辨率更高，加之無人機操作靈活，不受場地限制，測繪作業(yè)的局限性更小、通用性更強，可以完成全天候測繪任務(wù)。
在警用反恐、執(zhí)法等領(lǐng)域，警用集群無人機將成為公安機關(guān)的必備工具。如在處理突發(fā)事件時，使用警用無人機集群可快速收集突發(fā)事件現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并將現(xiàn)場的視頻、音頻信息傳送到警察指揮中心，同時能夠跟蹤事件的發(fā)展態(tài)勢，利用深度學習算法進行判斷、決策、處置。
在搶險救災(zāi)方面，尤其在?；?a href="http://www.hldxsj.cn/sell/list-133.html" title="救援" target="_blank">救援現(xiàn)場，滅火救援消防人員不能靠的太近，消防無人機集群攜帶針對性專用滅火劑可代替人進行危化品的滅火救援；攜帶環(huán)境感知器對火源火勢、周邊環(huán)境易燃易爆物等進行分析，還可攜帶通信裝備在任務(wù)區(qū)作為通信中繼，實時回傳災(zāi)情數(shù)據(jù)。
在軍用方面，無人機集群可以由多種類型的無人機組成，可以代替有人機，完成復雜危險的任務(wù)。如：在戰(zhàn)場上遂行護衛(wèi)、偵察、打擊、毀傷判定、目標追蹤與精準打擊等任務(wù)。
無人機集群還可構(gòu)成大型安保網(wǎng)絡(luò)，可用于安保、禁毒偵察；搭載人臉識別設(shè)備的無人機集群可在環(huán)境復雜的人群中尋找犯罪嫌疑人及失蹤人員，等等。
5 結(jié) 論
在遂行任務(wù)中，無人機集群系統(tǒng)本身所具有的“自愈”能力和強魯棒性能有效解決現(xiàn)有單機系統(tǒng)的不足，但無人機集群技術(shù)的研究還存在以下局限性：
（1）目前，無人機集群技術(shù)的研究多處于理論和試驗階段，現(xiàn)行的多無人機編隊大部是基于地面站對集群中每個無人機或?qū)ζ浞纸M進行的控制，還未真正實現(xiàn)無人機集群的自主控制。基于深度強化學習技術(shù)的無人機集群自主決策、自主任務(wù)協(xié)同、編隊隊形與變換、機間信息交互共享等方面的研究還不夠深入。
（2）為了研究生物智能群體模型，往往只考慮群體當前狀態(tài)進行決策研究，在建模時進行模型簡化，但是生物群集是有記憶功能的，忽略了歷史狀態(tài)的生物群集模型，映射到無人機集群模型進行分析與仿真、群體智能決策研究時會造成無人機集群系統(tǒng)模型的部分結(jié)果失真。
（3）無人機集群中多智能體間的信息通信與交互呈現(xiàn)出立體空間、通信主體多變等特性，目前對無人機通信問題研究還不夠深入。現(xiàn)階段的通信技術(shù)存在數(shù)據(jù)傳輸延遲、丟包，且不能及時進行變主體、多方位通信，不能適應(yīng)無人機集群態(tài)勢感知技術(shù)，難以滿足無人機集群通信要求。5G通信技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用是提升無人機集群通信與信息交互智能化能力的重要途徑。
總之，新一代人工智能技術(shù)是實現(xiàn)無人機集群技術(shù)自主決策的技術(shù)之首，立足于人工智能，開發(fā)基于群體智能的無人機集群控制系統(tǒng)，實現(xiàn)無人機集群群體智能的技術(shù)集成，是新一代無人機集群技術(shù)研究的主要方向。具備群體智能的無人機集群不僅在國防科技領(lǐng)域大顯身手，在民用如地質(zhì)勘探、智慧交通、搶險救災(zāi)、農(nóng)林植保、物流等領(lǐng)域也將大有可為。
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