什么是無人機集群？未來的無人機集群什么樣？

無人機在國產(chǎn)軍事電影中，可謂出盡風頭：它在《空天獵》里悄悄偵察對方陣地，在《戰(zhàn)狼2》里掃射人群，在《紅海行動》里直接報銷了一輛坦克！不過，電影中的無人機雖然酷炫，但是每架無人機都需要配備一名遙控人員，控制上百架無人機協(xié)同作戰(zhàn)似乎是個難以完成的任務。

一、國產(chǎn)無人機集群系統(tǒng)已經(jīng)打入國際市場

2017年6月10日，中國電子科技集團公司成功做到了119架固定翼無人機的集群協(xié)同飛行，成功演示了119架無人機的密集彈射起飛、空中自主集結(jié)、多目的自動分組、自動編隊合圍、集群行動等。這一實驗的重點，就是“集群智能”，只需要一個人就可以操縱上百架無人機。這一實驗刷新此前2016年珠海航展披露的67架固定翼無人機集群試驗紀錄，標志著智能無人集群領(lǐng)域的又一突破，奠定了我國在該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

2018年，中國電子科技集團又將這個記錄提高到200架，成功實現(xiàn)了國內(nèi)首次小型折疊翼無人機雙機低空投放和模態(tài)轉(zhuǎn)換試驗。目前，中國電子科技集團已經(jīng)將國產(chǎn)無人機集群系統(tǒng)打入國際市場，打破美國及西方國家在這個領(lǐng)域的壟斷。

“集群智能”作為一種顛覆性技術(shù)，一直被各國視作無人系統(tǒng)人工智能的核心，是未來智能無人系統(tǒng)的突破口。大規(guī)模、低成本、多功能的無人機集群通過空中組網(wǎng)、自主控制、群智決策，可以應用于多種探測感知、應急通信等任務。中國電科智能無人系統(tǒng)專家趙彥杰表示，自無人機作為一種新型裝備問世以來，以集群替代機動、數(shù)量提升能力、成本創(chuàng)造優(yōu)勢的方式，重新定義著未來力量運用的形態(tài)。 ?

那么，為什么固定翼無人機集群飛行難？固定翼無人機不像四旋翼無人機可以在空中懸停，更容易精確定位和編寫控制程序，它必須保持一定的速度才能維持在空中飛行，每架無人機不僅需要知道自己在哪里，而且還得知道附近其他無人機的位置和方向，并根據(jù)情況調(diào)整方向，以避免發(fā)生“空中撞機”事故。這就意味著固定翼無人機必須有“相互溝通”能力，對它們的傳感器、通信、定位等技術(shù)提出了極高要求。 ? 無人機機群、集群、蜂群作戰(zhàn)簡介

二、什么是無人機集群？

無人機集群是由大量的無人機構(gòu)成，可以是由完全相同的無人機組成，也可以是由紅外偵察無人機、雷達探測無人機、圖像偵察無人機、戰(zhàn)斗機、轟炸機等不同無人機組成。它們彼此間通過無線網(wǎng)絡等方式進行態(tài)勢共享與信息交互，相互協(xié)調(diào)合作完成任務分配、航跡規(guī)劃等。在系統(tǒng)內(nèi)，每個無人機都是一個智能體，具有獨立飛行、偵察等能力，而無人機群之間可通過無線網(wǎng)絡進行信息交互，無人機群與有人機或地面也存在信息交互，最終實現(xiàn)無人機群體的管理、群體間任務的分配、群體航跡的規(guī)劃及單無人機航跡的規(guī)劃等。 ? 下圖展示的為多無人機協(xié)同搜索的概念圖，多架不同功能構(gòu)成的無人機對特定區(qū)域展開搜索，提高探測準確度及探測范圍。 ?

? 為更好地理解無人機集群系統(tǒng)，舉一個軍事對抗的例子：敵方有一個火炮陣地對我方造成嚴重威脅，必須將其摧毀。有人機雖然操作簡單，易于管理，可執(zhí)行此任務，但體積較大，容易被雷達等設備發(fā)現(xiàn)而被擊毀，另一方面有人機成本較高，還可能造成飛行員傷亡。這時，無人機就要上場了！為提高執(zhí)行任務的成功率，利用小型無人機低成本優(yōu)勢，可采取飽和式攻擊方案（雷達一次所能探測的數(shù)量有限，敵方一次所能攔截的數(shù)量也有限，飽和式攻擊是指通過增加無人機數(shù)量，使其超過敵方雷達所能探測上限或超過敵方一次所能攔截的上限，使部分無人機可滲透進敵方陣地），一次派出10～100架無人機。此外，多架無人機協(xié)同執(zhí)行作戰(zhàn)任務，可以擴大探測、攻擊范圍，提高執(zhí)行效率。 ? ?

三、集群智能：向蜜蜂學習

無人機集群作戰(zhàn)來源于對于螞蟻和蜜蜂等昆蟲的研究和啟發(fā)。人們發(fā)現(xiàn)就個體而言，螞蟻和蜜蜂是非常原始和簡單的生物，但是在許多只螞蟻和蜜蜂聚集在一起，整體效能就可以發(fā)生飛躍，完成許多復雜的行為。這樣無人機集群技術(shù)或者蜂群技術(shù)就應運而生，這個技術(shù)把許多架無人機組成在一起，形成一個強大的整體，以提高整體作戰(zhàn)能力。 ?

早在1億2千萬年前，蜜蜂就以集群的方式在地球上生活，每個蜂群由蜂王、工蜂、雄蜂組成，蜂王每個種群通常只有1只，工蜂數(shù)千至數(shù)萬不等，雄蜂略少。工蜂則負責日常采蜜、筑巢、保衛(wèi)、飼養(yǎng)幼蟲等工作。無人機集群的操作手可類比于蜂群中的蜂王，負責操控整個無人機群；無人機群中的偵察機則更像勤勤懇懇的工蜂，偵查無人機負責偵查、探測任務，執(zhí)行正常的作業(yè)任務，當危險來臨時，又可以充當戰(zhàn)斗機，與敵機進行作戰(zhàn)；無人機集群中的轟炸機、戰(zhàn)斗機則更像負責集群安全的兵蜂，轟炸無人機負責對敵方進行轟炸，戰(zhàn)斗機負責護衛(wèi)群體安全與敵人正面作戰(zhàn)。為降低無人機操作手的操作難度，實現(xiàn)1個操作手可輕松操作成百甚至上千架無人機，需要模擬生物的集群行為對這個無人機群進行管理。 ? ?

要實現(xiàn)這個目地，首先需要設計集群管理控制器，通過設計控制算法，使這個群體能夠像蟻群、鳥群等自主去尋找火炮陣地，同時在飛行過程中，探測周圍的障礙物、雷達等威脅，并在機群內(nèi)共享這些信息，使機群能夠自主的規(guī)劃出最佳飛行路線，避開威脅物，以最短時間到達目的地。 ? 在到達目的地后，根據(jù)各個無人機的功能，通過集群管理，給各個無人機分配不同的任務：1）偵察機組負責偵察周邊環(huán)境、火炮陣地具體坐標等，然后將火炮陣地坐標及周邊環(huán)境信息發(fā)送給轟炸機組。2）轟炸機組根據(jù)火炮陣地坐標，規(guī)劃出最佳攻擊路徑，對火炮陣地及周邊威脅物進行轟炸摧毀。3）戰(zhàn)斗機組負責周邊警戒、護航，防止敵機進行騷擾攔截。當然除此之外還會有負責引誘、通信、干擾等用途的機組來共同完成此任務。就如同一個球隊，有前鋒、中鋒、后衛(wèi)、門衛(wèi)，還有教練，他們共同組成了一個球隊，有負責排兵布陣出謀劃策的，有負責進攻的，也有負責守衛(wèi)保護的，他們之間通過語言、手勢來彼此配合，提高團隊的戰(zhàn)斗力，戰(zhàn)勝對手。而其中的涉及的關(guān)鍵技術(shù)有很多，主要包括整個無人機集群的管理、無人機集群的任務分配、無人機集群的航跡規(guī)劃、無人機集群間的信息交互等等。

編隊控制的具體含義為：當多個無人機組成編隊聯(lián)合飛行時，相互之間要保持固定的幾何形態(tài)，同時又要滿足任務需求和適應周邊環(huán)境約束（例如障礙規(guī)避）。當前無人機編隊控制大體可分為兩類基本問題：運動協(xié)調(diào)和覆蓋協(xié)調(diào)。運動協(xié)調(diào)主要包括編隊隊形保持（Formation Keeping）、集結(jié)（Swarm）、解散（Dissolution）、重構(gòu)（Formation Reconfiguration）、隊形變換（Formation Change）和編隊避障（Collision Avoidance）。其中，隊形保持是運動協(xié)調(diào)的核心問題，研究編隊在運動中如何保持隊形不變。覆蓋協(xié)調(diào)是指無人機編隊的任務規(guī)劃和分配，包括部署、搜救、勘探，以及攻擊目標的分配等。

四、未來的無人機集群什么樣？

近幾年，無人機行業(yè)發(fā)展迅猛，無人機集群因其低成本、大規(guī)模、高智能、高效率的特點，在國內(nèi)外軍事對抗領(lǐng)域已得到廣泛關(guān)注。 ? 2015年，美國海軍實現(xiàn)50架固定翼無人機集群飛行的紀錄；這些無人機按照主從模式飛行，利用無線自組織網(wǎng)絡進行信息交互和共享。與以往每架飛機需要一個操作員不同，該項目通過集群地面控制站實現(xiàn)了同時對50架無人機的控制，將控制權(quán)逐漸轉(zhuǎn)移至飛行器，使無人機實現(xiàn)自主飛行和決策，以減輕操控人員的壓力。 ?

2016年5月，美國空軍正式提出《2016-2036年小型無人機系統(tǒng)飛行規(guī)劃》，希望構(gòu)建橫跨航空、太空、網(wǎng)空三大作戰(zhàn)疆域的小型無人機系統(tǒng)，并在2036年實現(xiàn)無人機系統(tǒng)集群作戰(zhàn)。明確了美國空軍小型無人機系統(tǒng)近期、中期和遠期主要發(fā)展目標。在美國國防部的領(lǐng)導下，國防先進研究計劃局（DARPA）、戰(zhàn)略能力辦公室（SCO），以及空軍、海軍等都開展了大量的研究和論證工作，啟動了多個項目，如“小精靈”項目、低成本無人機集群技術(shù)項目、“山鶉”項目、進攻性蜂群使能戰(zhàn)術(shù)項目、拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)項目等。 ? 2017年1月，美軍使用三架戰(zhàn)斗機在空中釋放了103架“山鶉”微型偵察無人機，可連續(xù)飛行半小時之久，能自主執(zhí)行情報搜集和監(jiān)控任務。 ? 小精靈無人機群概念圖 上圖為無人機集群在復雜戰(zhàn)場環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)的模擬作戰(zhàn)效果圖，可以看到機群由多個不同功能的無人機組成，包括一架有人機。有人機負責控制無人機群，對其發(fā)送指令，無人機群收到作戰(zhàn)指令后，集群內(nèi)偵查無人機自主探測敵方陣地坐標、探測威脅物，通過無人機群間網(wǎng)絡，有人機與無人機群進行信息交互，通過無人機集群協(xié)同控制器的計算，規(guī)劃處最佳的飛行路線及攻擊方案，實現(xiàn)對敵方陣地的偵察及最大限度的破壞，最大限度提高任務成功率同時降低己方人員傷亡。 ? ? 此外，還有歐盟的異構(gòu)多無人機實時協(xié)同和控制(COMETS)項目，以及澳大利亞研究中心的自主導航和環(huán)境感知研究項目等。 ? ?

未來智能無人集群還將呈現(xiàn)系統(tǒng)智能化、網(wǎng)絡極大化、節(jié)點極小化、平臺多樣化、成本低廉化五大特點，并加速推進智能無人集群向裝備系列化、應用多樣化、覆蓋全域化快速發(fā)展。無人機集群技術(shù)，不僅在在軍事對抗領(lǐng)域備受關(guān)注，在民事領(lǐng)域也具有較好的發(fā)展前景，其大規(guī)模協(xié)同工作方式將大大提高搜索效率、探測精度，為農(nóng)林防護、搜索救援等贏取寶貴時間，同時提供準確數(shù)據(jù)。 ?

編輯：黃飛

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