3.4 無人機集群移動Ad Hoc網(wǎng)絡技術

 

       Ad Hoc網(wǎng)是一種多跳的、無中心的、自組織無線網(wǎng)絡，又稱為多跳網(wǎng)（Multi-Hop Network）、自組織網(wǎng)（Self-Organizing Network）。網(wǎng)絡中沒有固定的節(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)絡的基礎是移動Ad Hoc網(wǎng)絡，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)絡結構具有高的靈活性、擴展性和抗毀性。

 

       4 無人機集群技術研究現(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)行偵察任務到完成復雜情況下的察打一體任務。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理論研究，研究群體智能結構理論與組織方法、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。基于人工智能設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，同其他無人機組建自組織智能交互網(wǎng)絡，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。因此，采用有人機與無人機組成共融無人機集群完成任務，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鍵共性技術體系的重點任務之一。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)有關預測，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、任務協(xié)同、異構無人機的協(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。基于深度學習技術的視覺感知在機器人、無人機等智能體上的應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的成熟，使無人機集群能夠利用立體視覺技術進行信息獲取與交互、集群任務協(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成為可能。

 

       4.5 未來無人機集群應用

 

       隨著無人機技術的發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化應用以及軍民融合戰(zhàn)略，未來我國無人機集群的應用將更加廣泛。

 

       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)有關預測顯示，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、服務質(zhì)量的提高，未來在植保領域，無人機集群應用市場將大有可為。

 

       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。

 

       在警用反恐、執(zhí)法等領域，警用集群無人機將成為公安機關的必備工具。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。

 

       在搶險救災方面，尤其在危化品救援現(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�；�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區(qū)作為通信中繼，實時回傳災情數(shù)據(jù)。