近年來，無人機集群技術概念的提出及發(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。無人機集群技術的研究與應用已成為無人機技術發(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的相關概念、國內(nèi)外無人機集群技術研究現(xiàn)狀、差異以及無人機集群發(fā)展的關鍵技術和未來無人機集群技術發(fā)展趨勢，為開展無人機集群的研究提供理論基礎。

 

       0 引言

 

       集群概念源于生物學研究。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。

 

 

       單無人機的應用，由于受自身條件的限制，面對應用環(huán)境的日益復雜以及任務多樣，頗顯局限。在軍事應用上，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、搶險救災等任務；在警用安保上，單架無人機也會因被攻擊或自身故障導致任務失敗等。為解決單無人機應用的局限性，美國空軍科學顧問委員會提出未來無人機的應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，實現(xiàn)相互間行為協(xié)同，適應動態(tài)環(huán)境，共同完成特定任務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，從而具備執(zhí)行復雜多變、危險任務的能力。未來，無人機集群協(xié)同完成任務將成為無人機產(chǎn)業(yè)應用的重要方面。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)行任務時被攻擊或任務效率不高的問題。

 

       1 國內(nèi)無人機集群技術研究現(xiàn)狀

 

       無人機已被各國廣泛用于國防建設和民用領域，隨著無人機技術的深入研究，無人機自主集群系統(tǒng)能夠通過緊密的協(xié)作完成各種復雜多變的任務，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雜集群任務的基礎。Cook W.J.等人認為，無人機集群任務規(guī)劃問題屬于復雜問題的組合優(yōu)化，擬從運籌學角度，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，決策層負責無人機集群系統(tǒng)中的任務規(guī)劃與分配、避碰和任務評估等；路徑規(guī)劃層負責將任務決策數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成航路點，以引導無人機完成任務、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。無人機集群任務規(guī)劃分層結構如圖2所示。

 

 

 

       Tsourdos A等從多無人機任務協(xié)同路徑規(guī)劃的方向?qū)⒍鄼C協(xié)同任務規(guī)劃分為集群任務規(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分配問題的復雜性，提高集群任務分配效率。

 

       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)的任務規(guī)劃和協(xié)同工作，多機系統(tǒng)中的無人機只作為任務的執(zhí)行者。目前，已有多種集中式任務規(guī)劃的研究方法，如多旅行商問題、車輛路由問題、網(wǎng)絡流模型、混合整數(shù)線性規(guī)劃等。其中網(wǎng)絡流模型、混合整數(shù)線性規(guī)劃多用于解決多任務時使用。

 

       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。如歐洲信息社會技術計劃（IST）開展的異構無人機集群實時協(xié)同與控制項目（COMETS）采用的就是異構無人機集群分布式實時控制技術。

 

       1.1.3 無人機集群任務協(xié)同算法研究現(xiàn)狀