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无人机集群技术现状与趋势

2020-08-17 11:50 性质：转载作者：军鹰智库来源：军鹰智库

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2 国内外无人机集群技术研究差异

国外对无人机集群技术的研究开始较早，侧重于无人机集群技术的整体性研究。主要对无人机集群技术中的无人机集群结构框架、控制与优化技术、任务管理与协同等进行深入研究，并且取得了一定的成效。如美国国防部高级研究计划局主导的自主编队混合控制项目（MICA），该项目对协同任务分配、协同路径规划、混合主动与自主编队控制、协同跟踪、信息共享等有关无人机集群的技术进行全面的研究。美国广域搜索弹药项目（Wide Area Search Munitions，WASM）通过建立Multi UAV协同控制仿真平台，采用分层控制与优化技术，研究了复杂任务背景下如何增强无人机集群协同全域搜索与打击能力。2006年，美国空军技术研究院基于进化机制的同构或异构的无人机集群自组织行为，建立自组织框架，使集群无人机通过自然选择和遗传变异，实现自身和行为的不断优化，产生对环境和作战任务的自适应能力。

国内由于现有技术的限制，无人机集群技术整体研究处于起步阶段，但对多无人机自主协同控制中的信息感知与传输、编队与队形、避障与避碰等技术研究较为深入，理论成果较多。其中采用基于分层递阶的方法进行协同控制的研究取得的成果最多。如在多机协同方面，基于分层递阶控制思想，研究了多机任务分配、多机航迹规划、多机编队控制等内容。在群体智能研究方面，北京航空航天大学段海滨教授长期从事基于仿生智能的无人机自主控制研究，研究成果显著，主要研究了基于生物群集行为特性，建立了鸽群、雁群、狼群等典型生物群体智能模型，研究了从生物群体智能到无人机集群控制的理论映射。

3 无人机集群技术发展的关键技术

无人机集群对环境的对抗性和任务的复杂性，决定了无人机集群必须具有高度的自主能力和协同能力。生物界中欧椋鸟群、鸽群、狼群、蚁群等生物群体在集群活动中都表现为群体智能。无人机集群智能研究建模中，往往进行简化，忽略了历史因素对个体的影响，将其简化为当前状态的运动决策系统。应将实际的因素加入群体智能，如视觉感知、集群中单机对外部不良因素的快速准确反应以及个体间的交互等，充分考虑各种因素对群体智能的影响。综合分析可以看出无人机集群技术发展的一些关键技术。

3.1 无人机集群态势感知与信息共享

无人机集群的态势感知与信息共享是无人机集群自主控制与决策的基础。对于无人机集群来说，集群系统中的单机既是通信的网络节点，又是信息感知与处理的节点。不同单机可搭载不同的传感器获取不同范围、不同维度的信息，单机间通过相互间的密切协同，可以将不同无人机的信息进行融合、共享，为集群系统决策提供信息支持。无人机集群信息共享利用其集群飞行的通信系统，不仅能够应对强电磁干扰下的通信延迟、丢包等情况，还能将感知到的信息传递给其他个体，从而避免因单机感知能力、信息处理能力的限制导致集群系统功能的低下。

3.2 无人机集群编队与智能决策控制

编队是无人机集群执行任务的形式和基础。在无人机集群编队的控制中要解决两个关键问题：一是编队的生成与保持，不同几何图形的队形生成与变换，编队队形不变情况下的收缩、扩张以及旋转等；二是避障以及避碰时队形的动态调整与重构，如遇到障碍时队形的分离与结合，成员增加或减少时的队形调整等。

无人机集群智能决策控制是实现无人机集群优势的核心。针对复杂的环境，动态的任务目标、威胁等无人机集群需具备实时任务调整和路径规划的能力，除态势感知与信息共享外，还需实现无人机集群智能决策控制，以快速响应动态变化，提高无人机集群完成任务的效率和鲁棒性。

3.3 无人机集群中有人机与无人机协同技术

由于无人机集群技术理论研究与发展限制，短时间内实现无人机的全自主智能控制难度较大。有人机与无人机的异构机型集群协同是一个重要集群技术，有人机与无人机集群协同不等同于一般的不同类型的简单协同。人工智能与人类智能、有人系统与无人系统的深度融合协同将成为未来无人机集群技术发展的重要方向。集群系统中有人机与无人机的协同实现了无人机进行态势信息感知和有人机进行任务判断决策空间上的分离，可完成高难度、危险系数高、复杂条件下的任务。

3.4 无人机集群移动Ad Hoc网络技术

Ad Hoc网是一种多跳的、无中心的、自组织无线网络，又称为多跳网（Multi-Hop Network）、自组织网（Self-Organizing Network）。网络中没有固定的节点，每个节点都是活动的，并且随机地与其他节点保持联系。每一个节点又能作为一个路由器，能发现、连接、维持其他节点路由的功能。

国外无人机集群Ad Hoc网络研究处于初级阶段，国内的研究较少，目前无人机集群通信网主要是采用基站或无人机集群地面站对无人机实施控制。未来无人机集群网络的基础是移动Ad Hoc网络，它能够根据无人机集群的实际需要快速扩大和缩小，网络结构具有高的灵活性、扩展性和抗毁性。

4 无人机集群技术研究现状

随着人工智能的发展，特别是智能化无人机技术的发展，无人机集群系统将越来越复杂但也越来越智能。在数量上，无人机集群已从简单的多机协同发展到成百上千架无人机协同。军事上，无人机集群系统从简单的执行侦察任务到完成复杂情况下的察打一体任务。在集群无人机编队情况看，无人机集群已从简单的长机、僚机的交互协同模式，发展到根据任务发展变化自组织编队的自主协同。在人机交互方面，无人机集群正向人机智能交互发展。

4.1 人工智能推动仿生智能无人机集群

在国发[2017]35号《新一代人工智能发展规划》中指出开展群体智能基础理论研究，研究群体智能结构理论与组织方法、群体智能激励机制与涌现机理、群体智能学习理论与方法、群体智能通用计算范式与模型。2017年12月，在我国工业和信息化部发布的《促进新一代人工智能产业发展三年行动计划（2018-2020）》中指出积极培育人工智能创新产品，促进人工智能技术的产业化，将无人机列为八大重点培育产品，并开展无人机智能飞控系统等研制。基于人工智能设计无人机集群分布式控制框架，使得系统中的无人机仅在局部感知能力下，通过集群数据链技术，同其他无人机组建自组织智能交互网络，并在外界环境触发作用下，实现复杂的行为模式，具备学习能力，在群体层面涌现出智能。

通过对自然界中的蚂蚁、鸟类、狼群等群居性生物研究，发现其具有高度集中协调一致的特点，表现为集群智能。目前对群集生物中的自组织性、自修复等的群体智能研究还在理论研究阶段，未来将生物的群集智能特性应用于无人机集群控制当中，将会使集群无人机具备仿生智能。

4.2 有人机与无人机共融集群

由于现阶段无人机的感知系统、运算处理系统、决策系统智能化程度不高，不能在复杂的环境下自主完成各种任务。因此，采用有人机与无人机组成共融无人机集群完成任务，既能很好发挥有人机运算能力和人的决策处理突发事件能力，又能充分发挥无人机机动性强，隐身性好的优势，共融无人机集群将成为无人机集群的发展趋势。2016年，美国空军发布《小型无人机系统飞行规划2016-2036》，其强调了有人机与无人机的集群共融作战，并针对“忠诚僚机”集群作战进行了说明，就是发展有人机与无人机集群编队作战。在《新一代人工智能发展规划》中也多次提到“人机协同”，并把人机共融协同作为发展新一代人工智能关键共性技术体系的重点任务之一。中国工程院院士王天然提出“下一代机器人将实现人机共融”。由此可见，未来无人机集群的发展方向之一将是有人机与无人机的共融集群。

4.3 5G网联无人机集群

据无人机行业有关预测，未来5年全球无人机市场的价值空间在705亿美元，涵盖世界各国和各个运用领域。但是无人机产业的发展存在空域、数据链等痛点，无人机飞行的空域可以通过政府出台相关政策予以解决。无人机产业数据链痛点同样也是无人机集群发展的壁垒。随着5G技术的发展与成熟，未来5G网联无人机能够利用5G网络地面、低空立体覆盖、传输速度快，数据低延迟等优点解决数据链痛点，能够实时监测任何一架无人机的运行状况。5G网联无人机集群势必使无人机集群的编队与编队重构、任务协同、异构无人机的协同、人机协同等无人机集群的优点发挥到极致。5G网联无人机将助推无人机集群技术的发展。

4.4 基于视觉的无人机集群

自然界中的生物感知外界物体的大小、形状、明暗、颜色、空间位置、距离等重要信息，80%以上的信息是通过视觉功能获取的。基于深度学习技术的视觉感知在机器人、无人机等智能体上的应用已非常广泛且日趋成熟，特别是基于视觉的导航与避障技术的研究，实现了无人机在没有GPS或GPS信号弱的情况下实现导航和避障。随着单无人机通过视觉控制技术的成熟，使无人机集群能够利用立体视觉技术进行信息获取与交互、集群任务协同、集群编队与队形变换，完成复杂条件下目标识别判断与精准任务成为可能。

4.5 未来无人机集群应用

随着无人机技术的发展与产业化应用以及军民融合战略，未来我国无人机集群的应用将更加广泛。

在农业植保上，无人机喷洒农药是人工喷洒效率的30倍，并且具有安全、防治效果好、成本低，并且不受地理环境限制等优势。我国有将近20亿亩耕地，现阶段95%以上耕地的植保还是人工加手动、电动机械喷雾机的方式进行植保作业。据有关预测显示，假如有20%的耕地采用无人机集群进行植保，需求量在20万架，其市场规模在100亿以上。随着无人机自主化水平的提高，以及植保无人机飞行算法的优化、服务质量的提高，未来在植保领域，无人机集群应用市场将大有可为。

在航空测绘方面，采用无人机集群进行测绘作业能从多角度同时完成测绘，加上智能算法，就可以清晰地得到被测绘区域的三维图像，并生成相应的三维模型，比采用单机测绘作业的效果更好。与传统卫星测绘相比较，测绘的分辨率更高，加之无人机操作灵活，不受场地限制，测绘作业的局限性更小、通用性更强，可以完成全天候测绘任务。

在警用反恐、执法等领域，警用集群无人机将成为公安机关的必备工具。如在处理突发事件时，使用警用无人机集群可快速收集突发事件现场数据，并将现场的视频、音频信息传送到警察指挥中心，同时能够跟踪事件的发展态势，利用深度学习算法进行判断、决策、处置。

在抢险救灾方面，尤其在危化品救援现场，灭火救援消防人员不能靠的太近，消防无人机集群携带针对性专用灭火剂可代替人进行危化品的灭火救援；携带环境感知器对火源火势、周边环境易燃易爆物等进行分析，还可携带通信装备在任务区作为通信中继，实时回传灾情数据。

在军用方面，无人机集群可以由多种类型的无人机组成，可以代替有人机，完成复杂危险的任务。如：在战场上遂行护卫、侦察、打击、毁伤判定、目标追踪与精准打击等任务。

无人机集群还可构成大型安保网络，可用于安保、禁毒侦察；搭载人脸识别设备的无人机集群可在环境复杂的人群中寻找犯罪嫌疑人及失踪人员，等等。

5 结论

在遂行任务中，无人机集群系统本身所具有的“自愈”能力和强鲁棒性能有效解决现有单机系统的不足，但无人机集群技术的研究还存在以下局限性：

（1）目前，无人机集群技术的研究多处于理论和试验阶段，现行的多无人机编队大部是基于地面站对集群中每个无人机或对其分组进行的控制，还未真正实现无人机集群的自主控制。基于深度强化学习技术的无人机集群自主决策、自主任务协同、编队队形与变换、机间信息交互共享等方面的研究还不够深入。

（2）为了研究生物智能群体模型，往往只考虑群体当前状态进行决策研究，在建模时进行模型简化，但是生物群集是有记忆功能的，忽略了历史状态的生物群集模型，映射到无人机集群模型进行分析与仿真、群体智能决策研究时会造成无人机集群系统模型的部分结果失真。

（3）无人机集群中多智能体间的信息通信与交互呈现出立体空间、通信主体多变等特性，目前对无人机通信问题研究还不够深入。现阶段的通信技术存在数据传输延迟、丢包，且不能及时进行变主体、多方位通信，不能适应无人机集群态势感知技术，难以满足无人机集群通信要求。5G通信技术的发展与应用是提升无人机集群通信与信息交互智能化能力的重要途径。

总之，新一代人工智能技术是实现无人机集群技术自主决策的技术之首，立足于人工智能，开发基于群体智能的无人机集群控制系统，实现无人机集群群体智能的技术集成，是新一代无人机集群技术研究的主要方向。具备群体智能的无人机集群不仅在国防科技领域大显身手，在民用如地质勘探、智慧交通、抢险救灾、农林植保、物流等领域也将大有可为。