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無(wú)人機(jī)集群控制技術(shù)到底多硬核?

發(fā)布日期:2019-03-12??來(lái)源:一飛智控我要投稿我要評(píng)論

  無(wú)人機(jī)智能集群,又是無(wú)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):?jiǎn)误w都很弱小,也沒(méi)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(yǔ)言,社會(huì)行為豐富。

  無(wú)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(duì)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(wú)人機(jī)智能集群技術(shù),以單個(gè)無(wú)人機(jī)間通過(guò)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(wú)人機(jī)智能集群系統(tǒng)已成為無(wú)人機(jī)的一個(gè)重要發(fā)展方向。通過(guò)緊密的協(xié)作,無(wú)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(lái)看,無(wú)人機(jī)的應(yīng)用樣式逐步從單平臺(tái)向多平臺(tái)“集群”方向發(fā)展。從技術(shù)角度來(lái)看,無(wú)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(wú)人機(jī)優(yōu)勢(shì)-

  俗話說(shuō):雙拳難敵四手,好漢架不住群狼。一系列理論研究表明:無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)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(wú)人機(jī),更展示了無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)概念和作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)。

  那么,在未來(lái)信息化、網(wǎng)絡(luò)化、體系對(duì)抗作戰(zhàn)環(huán)境下,無(wú)人機(jī)集群相對(duì)單無(wú)人機(jī)系統(tǒng),具體具備哪些優(yōu)勢(shì)?

  低生產(chǎn)成本,高使用效率

  無(wú)人機(jī)集群系統(tǒng)一般由不同的平臺(tái)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(duì)不同的任務(wù)目標(biāo),可通過(guò)調(diào)整搭配的各型無(wú)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(wú)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(wàn)美元的成本可以購(gòu)買80架“郊狼”無(wú)人機(jī),且不須要長(zhǎng)時(shí)間服役的維修保養(yǎng)費(fèi)用。無(wú)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(duì)稱的成本優(yōu)勢(shì)。

  分布式集群智慧

  集群中大量的終端平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)分布式投票以解決問(wèn)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(cè)

  無(wú)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(cè)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(wú)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(wú)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(dòng)的成功率。

  -無(wú)人機(jī)集群控制關(guān)鍵技術(shù)-

  與蜂蟻不同,無(wú)人機(jī)是通過(guò)人工智能技術(shù)等達(dá)到“智能”的感知,因此,無(wú)人機(jī)集群技術(shù)并不是簡(jiǎn)單的把一堆無(wú)人機(jī)放到一起,然后再安排一大堆操控手,一對(duì)一操作。無(wú)人機(jī)集群協(xié)作的實(shí)現(xiàn),需要通過(guò)自組機(jī)制引入無(wú)人機(jī)平臺(tái),真正實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、動(dòng)態(tài)、不確定環(huán)境下的集群無(wú)人機(jī)的智能協(xié)同,面臨著很高的技術(shù)壁壘。

  無(wú)人機(jī)集群自主編隊(duì)控制。

  編隊(duì)飛行是無(wú)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(wú)人機(jī)集群在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中,控制無(wú)人機(jī)形成并保持一定的幾何構(gòu)型,以適應(yīng)平臺(tái)性能、戰(zhàn)場(chǎng)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(wèn)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(dòng)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(wú)人機(jī)物流技術(shù)為例,如何讓未來(lái)漫天的快遞無(wú)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(wú)人機(jī)顯然無(wú)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(dòng)態(tài)自組織網(wǎng)絡(luò)。

  無(wú)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(wú)線數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)無(wú)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(wú)人機(jī)的隨機(jī)移動(dòng),開機(jī)關(guān)機(jī)以及地形干擾等問(wèn)題,無(wú)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(dòng)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(shì)感知和共享。

  多無(wú)人機(jī)協(xié)同態(tài)勢(shì)感知是無(wú)人機(jī)集群控制和決策的基礎(chǔ)。在無(wú)人機(jī)集群中,多架無(wú)人機(jī)可配備不同的傳感器,通過(guò)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(shì)的協(xié)同感知,需要進(jìn)行協(xié)同目標(biāo)探測(cè)、目標(biāo)識(shí)別和融合估計(jì)、協(xié)同態(tài)勢(shì)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(guò)程中,如何將感知到的目標(biāo)、平臺(tái)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(cè)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(wèn)題。

  無(wú)人機(jī)集群協(xié)同智能決策。

  無(wú)人機(jī)集群協(xié)同決策是實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)集群優(yōu)勢(shì)的核心。無(wú)人機(jī)協(xié)同決策的目標(biāo),就是針對(duì)高對(duì)抗的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境,提高系統(tǒng)的整體生存能力,在可能損失部分無(wú)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(wú)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(dòng)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(duì)動(dòng)態(tài)、不確定的外部環(huán)境,實(shí)現(xiàn)基于任務(wù)和無(wú)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(wú)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(duì)高對(duì)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(wú)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(wú)人機(jī)集群,下一個(gè)市場(chǎng)熱點(diǎn)?-

  正如無(wú)人機(jī)的誕生源于戰(zhàn)場(chǎng)上的軍事需求,無(wú)人機(jī)集群的概念也是從國(guó)防領(lǐng)域率先開始理論研究和實(shí)踐證明。隨著無(wú)人機(jī)智能化技術(shù)的更新、迭代,這種無(wú)人機(jī)“打群架”優(yōu)勢(shì)也在廣泛運(yùn)用到民用領(lǐng)域,尤其是行業(yè)應(yīng)用無(wú)人機(jī)領(lǐng)域,當(dāng)下火爆的無(wú)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(guó)無(wú)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(wú)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(wú)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(lái)電子商務(wù)的繁榮,消費(fèi)升級(jí)背后也正驅(qū)動(dòng)著無(wú)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(wú)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(chǎng)景,未來(lái)將與無(wú)人車、無(wú)人倉(cāng)等地面無(wú)人系統(tǒng)接駁,形成一個(gè)全自主物流無(wú)人網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

  未來(lái),隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)在物流快遞的大規(guī)模商業(yè)落地,必然會(huì)帶來(lái)復(fù)雜的管理問(wèn)題,大規(guī)模訂單的并發(fā),不同無(wú)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(wú)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(wú)人機(jī)噴灑逐漸擴(kuò)展到無(wú)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(shì)下,單純的單機(jī)作業(yè)缺陷逐漸將暴露出來(lái),這就需要無(wú)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(guó)際領(lǐng)先的大數(shù)據(jù)平臺(tái),結(jié)合植保無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)以及厘米級(jí)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(duì)無(wú)人機(jī)集群控制技術(shù)應(yīng)用最熟悉的領(lǐng)域。通過(guò)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(wú)人機(jī)集群演出的市場(chǎng)前景十分被看好。

400架無(wú)人機(jī)編隊(duì)創(chuàng)越天津之眼

  以上視頻是一飛無(wú)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(lái),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(tái)”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(dòng)智能產(chǎn)業(yè)化革新。

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