無人機(jī)智能集群，又是無人機(jī)行業(yè)的一個(gè)技術(shù)風(fēng)口。
從成群遷移的角馬、集體飛行的鴿子、結(jié)隊(duì)巡游的魚類，到覓食的螞蟻、采蜜的蜜蜂，乃至細(xì)菌等微生物、細(xì)胞和蛋白質(zhì)，不同尺度的生命體集群行為普遍存在于自然生物界。它們都有同樣的特點(diǎn)：單體都很弱小，也沒什么智能，有著非常強(qiáng)大的群體協(xié)作能力。每一個(gè)蟻穴或者蜂巢都是一個(gè)完整的群體，分工明確，個(gè)體之間存在著豐富有趣的信息交流語言，社會行為豐富。
無人機(jī)集群概念正是起源于生物集群行為，逐漸吸引了大批學(xué)者的關(guān)注，從而掀起了研究高潮，并逐漸涌現(xiàn)了諸多智能集群算法，如蟻群算法和粒子群優(yōu)化算法。所以，在對蜂群、螞蟻的集群智能行為的模擬之上，研究出了現(xiàn)在的無人機(jī)智能集群技術(shù)，以單個(gè)無人機(jī)間通過彼此的感知交互、信息傳遞、協(xié)同工作在險(xiǎn)惡的環(huán)境下可以低成本完成多樣性的復(fù)雜任務(wù)。
進(jìn)入21世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，開發(fā)無人機(jī)智能集群系統(tǒng)已成為無人機(jī)的一個(gè)重要發(fā)展方向。通過緊密的協(xié)作，無人機(jī)集群體系可以體現(xiàn)出比傳統(tǒng)人工系統(tǒng)更卓越的協(xié)調(diào)性、智能性和自主能力。因此，從應(yīng)用樣式來看，無人機(jī)的應(yīng)用樣式逐步從單平臺向多平臺“集群”方向發(fā)展。從技術(shù)角度來看，無人機(jī)的研發(fā)熱點(diǎn)逐步從單機(jī)飛行控制向多機(jī)協(xié)同，編隊(duì)組網(wǎng)方向發(fā)展。
-集群無人機(jī)優(yōu)勢-
俗話說：雙拳難敵四手，好漢架不住群狼。一系列理論研究表明：無人機(jī)集群作戰(zhàn)能夠?qū)崿F(xiàn)對單元作戰(zhàn)能力更大勝率。近年流行的兩個(gè)科幻電影《星際迷航》《獨(dú)立日》等，細(xì)心的觀眾可能都發(fā)現(xiàn)了，電影里不僅出現(xiàn)了無人機(jī)，更展示了無人機(jī)集群作戰(zhàn)概念和作戰(zhàn)優(yōu)勢。
那么，在未來信息化、網(wǎng)絡(luò)化、體系對抗作戰(zhàn)環(huán)境下，無人機(jī)集群相對單無人機(jī)系統(tǒng)，具體具備哪些優(yōu)勢？
低生產(chǎn)成本，高使用效率
無人機(jī)集群系統(tǒng)一般由不同的平臺實(shí)現(xiàn)高低混搭。集群中使用大量分散的低成本系統(tǒng)形成功能互補(bǔ)。針對不同的任務(wù)目標(biāo)，可通過調(diào)整搭配的各型無人機(jī)的數(shù)量快速適應(yīng)，免去了開發(fā)專用復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)備的成本。在軍事領(lǐng)域中，相比于傳統(tǒng)武器系統(tǒng)，無人機(jī)集群的壽命周期費(fèi)用低。例如一枚“魚叉”導(dǎo)彈120萬美元的成本可以購買80架“郊狼”無人機(jī)，且不須要長時(shí)間服役的維修保養(yǎng)費(fèi)用。無人機(jī)集群一方面流程化生產(chǎn)成本低，組裝速度快，另一方面可以快速消耗敵方防空導(dǎo)彈，高效摧毀敵方雷達(dá)等高價(jià)值裝備，具有非對稱的成本優(yōu)勢。
分布式集群智慧
集群中大量的終端平臺可實(shí)現(xiàn)分布式投票以解決問題，集群作業(yè)中每一個(gè)終端得到的信息各不相同，做出的決策可能五花八門。在這種情況下，將集群中的決策進(jìn)行匯總和投票，可以顯著提高結(jié)果的正確性，避免隨機(jī)誤差。
分布式探測
無人機(jī)集群具有分散度高，局部感知能力強(qiáng)而全局感知能力弱的特點(diǎn)。但是如果能把集群中的每一個(gè)終端的探測信息匯總?cè)诤?，可以?shí)現(xiàn)全局信息的高效獲取。
更高的可靠性
無人機(jī)集群的分布式特性決定了當(dāng)集群中的部分設(shè)備故障后，其他無人機(jī)可以迅速重新規(guī)劃任務(wù)，填補(bǔ)空缺，從而完成預(yù)定的全部目標(biāo)或大部分目標(biāo)。避免傳統(tǒng)大型復(fù)雜專用系統(tǒng)的低冗余缺陷。能夠極大地提高行動的成功率。
-無人機(jī)集群控制關(guān)鍵技術(shù)-
與蜂蟻不同，無人機(jī)是通過人工智能技術(shù)等達(dá)到“智能”的感知，因此，無人機(jī)集群技術(shù)并不是簡單的把一堆無人機(jī)放到一起，然后再安排一大堆操控手，一對一操作。無人機(jī)集群協(xié)作的實(shí)現(xiàn)，需要通過自組機(jī)制引入無人機(jī)平臺，真正實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、動態(tài)、不確定環(huán)境下的集群無人機(jī)的智能協(xié)同，面臨著很高的技術(shù)壁壘。
無人機(jī)集群自主編隊(duì)控制。
編隊(duì)飛行是無人機(jī)集群執(zhí)行任務(wù)的基礎(chǔ)和基本形式。編隊(duì)控制是指無人機(jī)集群在執(zhí)行任務(wù)過程中，控制無人機(jī)形成并保持一定的幾何構(gòu)型，以適應(yīng)平臺性能、戰(zhàn)場環(huán)境、戰(zhàn)術(shù)任務(wù)等需求的技術(shù)。編隊(duì)控制主要解決兩方面的問題：一是編隊(duì)的生成和保持，包括面向空間、時(shí)間和通信拓?fù)涞臉?gòu)型優(yōu)化，不同幾何形態(tài)間的隊(duì)形切換，隊(duì)形不變條件下的編隊(duì)收縮、擴(kuò)張和旋轉(zhuǎn)等；二是編隊(duì)構(gòu)型的動態(tài)調(diào)整和重構(gòu)，如遇到障礙物時(shí)編隊(duì)的分離與重新融合，編隊(duì)成員增加或減少時(shí)的隊(duì)形調(diào)整，以及作戰(zhàn)目標(biāo)改變、威脅環(huán)境變化等其他突發(fā)情況下的編隊(duì)重構(gòu)。
飛行密集區(qū)域的協(xié)調(diào)管控。
以當(dāng)下的研究熱點(diǎn)無人機(jī)物流技術(shù)為例，如何讓未來漫天的快遞無人機(jī)像人類快遞小哥一樣高效而有序的完成工作，同時(shí)能夠在繁忙密集的飛行區(qū)域準(zhǔn)確的避開同類障礙，就需要相互協(xié)作和協(xié)調(diào)管控。這些任務(wù)本質(zhì)上相當(dāng)于運(yùn)作一個(gè)集群系統(tǒng)，單一的無人機(jī)顯然無法做到，需要整個(gè)集群自行分解，調(diào)度，協(xié)調(diào)和管控。
動態(tài)自組織網(wǎng)絡(luò)。
無人機(jī)集群協(xié)同工作時(shí)將進(jìn)行信息的交換和管理，需要數(shù)據(jù)鏈支持，因此，構(gòu)建自適應(yīng)的寬帶無線數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)集群作戰(zhàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。在自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中，由于無人機(jī)的隨機(jī)移動，開機(jī)關(guān)機(jī)以及地形干擾等問題，無人機(jī)間的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)可能發(fā)生變化，所以高效的動態(tài)自組織網(wǎng)絡(luò)也是集群的關(guān)鍵技術(shù)。
集群協(xié)同態(tài)勢感知和共享。
多無人機(jī)協(xié)同態(tài)勢感知是無人機(jī)集群控制和決策的基礎(chǔ)。在無人機(jī)集群中，多架無人機(jī)可配備不同的傳感器，通過相互協(xié)同工作，獲得更大的范圍、更高的精度及更強(qiáng)的魯棒性。要實(shí)現(xiàn)態(tài)勢的協(xié)同感知，需要進(jìn)行協(xié)同目標(biāo)探測、目標(biāo)識別和融合估計(jì)、協(xié)同態(tài)勢理解和共享，以獲取完整、清晰、準(zhǔn)確的信息，為決策提供支持。在集群信息共享的過程中，如何將感知到的目標(biāo)、平臺狀態(tài)信息傳遞到其他個(gè)體，使得整個(gè)系統(tǒng)既能滿足可用帶寬限制以減小被偵測到的概率，又能滿足協(xié)同控制和決策的需要，是非常重要的問題。
無人機(jī)集群協(xié)同智能決策。
無人機(jī)集群協(xié)同決策是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)集群優(yōu)勢的核心。無人機(jī)協(xié)同決策的目標(biāo)，就是針對高對抗的戰(zhàn)場環(huán)境，提高系統(tǒng)的整體生存能力，在可能損失部分無人機(jī)的條件下，加強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的生存能力，確保任務(wù)的完成率。無人機(jī)集群協(xié)同決策的內(nèi)容包括威脅的判斷、目標(biāo)優(yōu)先權(quán)的排序及目標(biāo)分配等任務(wù)的動態(tài)分配與調(diào)度，需要重點(diǎn)考慮多機(jī)之間的任務(wù)分配的沖突消解，消除多機(jī)之間的任務(wù)耦合，應(yīng)對動態(tài)、不確定的外部環(huán)境，實(shí)現(xiàn)基于任務(wù)和無人機(jī)能力的協(xié)同決策，制定高效合理的任務(wù)計(jì)劃，使得無人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)的生存概率和作戰(zhàn)效能達(dá)到最佳。針對高對抗、強(qiáng)不確定及時(shí)間敏感的環(huán)境中隨時(shí)可能出現(xiàn)的包括任務(wù)目標(biāo)改變、威脅和環(huán)境變化、集群成員損傷等突發(fā)情況，需要無人機(jī)集群具備實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)整和重規(guī)劃的能力，快速響應(yīng)外界環(huán)境的變化，提高任務(wù)效率和使用靈活性。
-民用無人機(jī)集群，下一個(gè)市場熱點(diǎn)？-
正如無人機(jī)的誕生源于戰(zhàn)場上的軍事需求，無人機(jī)集群的概念也是從國防領(lǐng)域率先開始理論研究和實(shí)踐證明。隨著無人機(jī)智能化技術(shù)的更新、迭代，這種無人機(jī)“打群架”優(yōu)勢也在廣泛運(yùn)用到民用領(lǐng)域，尤其是行業(yè)應(yīng)用無人機(jī)領(lǐng)域，當(dāng)下火爆的無人機(jī)物流快遞就涉及到集群的應(yīng)用。作為最早專攻于中國無人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用領(lǐng)域的團(tuán)隊(duì)，一飛，研發(fā)的無人機(jī)集群控制技術(shù)已經(jīng)在智慧農(nóng)業(yè)、智能物流、智能編隊(duì)等多個(gè)商用無人機(jī)領(lǐng)域開展了大規(guī)模的推廣應(yīng)用：
物流快遞
互聯(lián)網(wǎng)熱潮帶來電子商務(wù)的繁榮，消費(fèi)升級背后也正驅(qū)動著無人系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展。就在前不久，一飛發(fā)布的三款無人機(jī)物流產(chǎn)品，引起了行業(yè)內(nèi)注意。三款產(chǎn)品覆蓋支線到末端應(yīng)用場景，未來將與無人車、無人倉等地面無人系統(tǒng)接駁，形成一個(gè)全自主物流無人網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
未來，隨著無人機(jī)技術(shù)在物流快遞的大規(guī)模商業(yè)落地，必然會帶來復(fù)雜的管理問題，大規(guī)模訂單的并發(fā)，不同無人機(jī)之間的協(xié)作流暢，都需要集群技術(shù)調(diào)配支撐。
農(nóng)業(yè)植保
眾所周知，無人機(jī)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用的廣泛展開，業(yè)界目光已經(jīng)從單純的無人機(jī)噴灑逐漸擴(kuò)展到無人機(jī)農(nóng)業(yè)信息采集、農(nóng)業(yè)光譜數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)趨勢下，單純的單機(jī)作業(yè)缺陷逐漸將暴露出來，這就需要無人機(jī)之間能夠作為一個(gè)整體協(xié)調(diào)工作，以便有效地覆蓋大面積區(qū)域并進(jìn)行信息交互與協(xié)同作業(yè)。一飛目前擁有國際領(lǐng)先的大數(shù)據(jù)平臺，結(jié)合植保無人機(jī)飛控系統(tǒng)以及厘米級RTK精準(zhǔn)定位等軟件系統(tǒng)，提出了從硬件到軟件生態(tài)系統(tǒng)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)解決方案，包括群體智能技術(shù)。
智能編隊(duì)
編隊(duì)表演，應(yīng)該是大眾對無人機(jī)集群控制技術(shù)應(yīng)用最熟悉的領(lǐng)域。通過將這項(xiàng)技術(shù)與藝術(shù)結(jié)合，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的煙花表演，讓冰冷的機(jī)械科技變得有溫度。而其獨(dú)有的環(huán)保安全、可定制化、可塑性且自帶傳播話題性等特點(diǎn)，讓無人機(jī)集群演出的市場前景十分被看好。
400架無人機(jī)編隊(duì)創(chuàng)越天津之眼
以上視頻是一飛無人機(jī)集群表演的一個(gè)案例。讓智慧點(diǎn)亮天空，讓科技更有溫度。近年來，一飛在自主集群控制技術(shù)領(lǐng)域加大了研發(fā)力度，目前已攻克核心技術(shù)瓶頸，不僅希望將集群“舞臺”搬到更運(yùn)的地方，更盼望，將該項(xiàng)技術(shù)更大范圍、更快的應(yīng)用到民生經(jīng)濟(jì)，推動智能產(chǎn)業(yè)化革新。
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