無人機集群技術的民用發展

唐毅 司維釗 王懷超

摘 要 本文分析的無人機集群技術的發展及其在行業的應用，對無人機的關鍵技術進行了展望，在不遠的未來，無人機集群技術不僅將對軍事領域造成巨大影響，也將不斷推動無人機產業的不斷發展。

關鍵詞 無人機集群 行業應用 無人機關鍵技術

中圖分類號：V279 文獻標識碼：A

2016年8月，在中國計算機學會主辦的CCF-GAIR峰會上，賓夕法尼亞大學工程學院院長、IEEE、ASME Fellow，美國國家工程院院士Vijay Kuma教授提出來他的5S趨勢理論：Small（小型），Safe（安全），Smart（智能），Speed（敏捷）和Swarm（集群），與一直被廣泛研究的前四個S不同，Swarm集群技術目前還主要在學術界和國防領域受到關注。集群智能（Swarm Intelligence）作為一種Game-Changing的顛覆性技術，一直被中美等國軍隊視為無人化作戰的突破口。

無人機作戰系統是由無人機作戰平臺、任務載荷、指揮控制系統以及空一天一地信息網絡組成的綜合化作戰系統，是信息化戰爭中奪取信息優勢、實施精確打擊、完成特殊作戰任務的重要手段之一。而集群智能（SwarmIntelligence）作為一種“Game-Changing”的顛覆性技術，一直被中美等軍事強國作為軍用人工智能的核心。

無人機集群不僅在軍事方面前途廣泛，在分解重大任務方面“化整為零”的特點和相互協作最終達到的倍增效益，同樣適用于民用領域，尤其是無人機行業應用領域。現在無人機集群技術已經在下列民用領域嶄露頭角。

1快遞物流

互聯網熱潮帶來的電子商務發展的繁榮驅動著無人系統技術的發展，Amazon的Kiva倉儲搬運機器人（AGV）和快遞無人機也引起業內注意，京東也完成了他的首次快遞無人機試飛。

未來無人機技術廣泛運營之后必然帶來復雜的管理問題，在實際運用場景中，面對百萬訂單量的并發，調配算法能夠支持多少機器人和無人機實現相互避讓，不同機器人和無人機之間是否能夠協作流暢，都需要集群技術的支撐。

說起物流無人機，就不得不提一直致力于提升物流效率的亞馬遜，大家對它的Kiva倉儲搬運機器人一定不陌生。近日，外媒在專利查詢網站上又發現了亞馬遜的一個新無人機專利——集群無人機。亞馬遜準備用一群小無人機做一個無人機集群，組成一個巨型的運輸無人機，來完善亞馬遜自身的無人機物流方案。亞馬遜此舉證明其充分意識到，當成百上千萬的訂單里齊發，單體無人機已經無法有效承載物流任務，因為多架無人機同時運營之時，如何彼此實現避讓，能否相互協作流暢，都需要借助于集群技術。一旦集群技術應用于物流無人機，載荷與續航都將不再是難題。

2農業

隨著農業無人機應用的廣泛開展，業界的目光已經從單純的無人機農藥噴灑逐漸擴展到無人機農業信息采集、農業光譜數據分析等領域，為了彌補單機作業的缺陷，無人機集群技術也開始得到農業領域的關注。

SAGA項目，也就是農業應用的機器人集群（Swarm Robotics for Agricultural Applications），將幫助農民繪制農田中的雜草地圖，從而提高作物產量。該系統是一個由ECHORD ++資助的研究項目，由一組多架無人機互相配合，協同監測一塊農田區域，并通過機載機器視覺設備，精確找到作物中的雜草并繪制雜草地圖。

無人機集群中的無人機互相交互信息，充分利用各自獲取的信息，優先在雜草最密集的區域作業，算法類似自然界中蜜蜂群盡可能在花朵最密集的區域采蜜，這種路徑優化技術有助于提高作業效率。

3應急救援

當自然災害發生時，首要的任務就是建立臨時通信網、查看災情，然后再出動直升機運輸物資和人員，除了昂貴的衛星通信手段，無人機集群是解決救災通信問題的最佳選擇。

洛桑聯邦理工學院的智能系統實驗室曾經在其微型蜂群飛行器網絡項目中，開發一套可以在災區快速搭建通信網絡的微型飛行機器人群。這種機器人可以克服地形困擾，快速地布置到災區，以自身為節點，在最短的時間內恢復災區的通信網絡。無人機集群成本低、可消耗、部署簡便、使用靈活，為應急救援的通信保障提供了一種靈活的解決方案。

4遙感與對地觀測

與消費類無人機的航拍需求類似，在行業應用中，遙感與對地觀測及地理信息采集的需求一直廣受關注，無人機對幾乎所有存在地理信息需求的行業都有著成本、技術和便利性方面的優勢。在單無人機作業的情況下，大范圍的對地觀測往往需要消耗很長時間，而引入無人機集群技術，則可以解決時間與效率難題。

本質上，集群技術使少量的人員能夠控制大量無人機進行并行作業，對地觀測這種天然可并行的任務類型的作業效率與無人機數量線性正相關，因此極具吸引力。集群算法可以設定一個優化函數來協調各個無人機的任務路徑，尤其對于存在諸多不確定性的地面目標跟蹤之類的時變任務，集群技術可以發揮極大的優勢。

5無人機燈光、煙花秀

無人機廠家、藝術家、游樂園運營商和傳統的燈光秀團隊都對無人機集群演出的前景表現出極大的興趣。迪斯尼公司申請了很多與無人機有關的專利，它將那些無人機稱作“Flixels”。它在專利文件中寫道，這些無人機可以按照預先設定好的路線飛行，并且按照設定好的程序發出LED光，從而在天空上“繪制”出不同的圖案。以無人機集群為核心的燈光秀可比傳統煙花更加經濟、高效和安全。2018韓國平昌冬奧會上，INTEL為觀眾奉上了一場精彩的無人機表演。

6管道巡檢

管道巡檢方面，據2016中國石油企業協會發布《2016中國油氣產業發展分析與展望報告藍皮書》，2015年我國建成原油管道2.07km，成品油管道2.11km，新增天然氣管道2700km。石油天然氣管道由于輸送距離長，所處地理環境復雜，有些地方可能發生地質災害，需要環境監測、故障預防、事故預防等常規巡檢，以及發生故障或事故后的應急監測。

采用無人機對石油天然氣管道進行日常巡檢，以及去特定區域進行詳細巡檢就顯得十分有必要。目前多采用單個無人機進行巡查，但是單個無人機載荷能力有限，限制了搭載的設備，在巡航距離和監測內容方面受到限制。如果要完成一項復雜的任務，必須多次出動，或者頻繁更換不同設備。

而采用無人機組，通過無人機編隊飛行的方式進行管道巡檢就是一個有效解決方法。因為無人機組可以攜帶不同裝備，通過相互協作完成單個無人機不能完成的任務，如高精度定位、多角度成像及通信中繼等。據悉，單個無人機只能對目標進行二維測量或成像，而無人機組通過編隊排列，可測量得到三維信息。

此外，編隊作業的無人機組可以分散搭載設備，將一個復雜的任務拆分為多個簡單任務，分配給編隊中的不同無人機，從而協同作業，一次性完成單機必須分多次完成的作業，更加有效率。

作為一個發展速度快、迭代周期短的領域，無人機集群技術的發展一直是業內討論的焦點，其決定著無人機集群未來發展趨勢，未來可能的關鍵技術主要有以下幾種。

（1）無人機集群通信技術。

集群環境對通信鏈路的要求十分嚴苛，既要滿足地面站與無人機、無人機與無人機、無人機編隊與無人機編隊之間必須存在一定冗余的信息交互，同時應減少通信的延遲，保證信息交互的實時性。作業過程中，無人機存在完成作業、開始作業等多個狀態，其動態加入和退出也使得通信鏈路必須滿足在正常通信需求的條件下，支持無人機數量的變化，完成集群的重構，而且在無人機與地面站失去聯系時，無人機群應具有通信鏈路的自組織能力。其次，在某些關鍵操作上，通信鏈路還必須保證地面操作員能夠對無人機任務進行授權和確認。

（2）無人機集群任務規劃技術。

為了實現多無人飛行器之間有效的任務協同，同時保證控制結構不依賴于無人飛行器的數量，構建多無人飛行器協同任務自組織系統分布式體系結構，各無人飛行器的基本行為和簡單任務由無人飛行器自己自主完成，當面臨復雜任務和需要協作的任務時，當前無人飛行器可以把任務信息和資源需求發布到由各無人飛行器組成的網絡上，各無人飛行器可以根據自身當前任務和資源情況予以響應。這樣，任意一個無人飛行器的退出或加入，都不會對系統組織結構帶來影響。

（3）路徑規劃技術。

無人機在實際飛行中如果存在突發狀況，必須進行航跡重新規劃，以以規避威脅。為滿足協同工作時的時效性，重新規劃所采用的算法必須具有實時、高效的特點。因此，可以根據蜂群算法領域搜索的特點，以參考航跡的突發威脅作為領蜂航跡，跟隨蜂僅在參考航跡的突發威脅段進行領域搜索，而不需要對整條航跡進行搜索，由此可以快速獲得修正航跡段，并替換原突發威脅航跡段，整個飛行過程中，無人機根據獲得的威脅信息，不斷修正參考航跡，直至達到目標節點。

（4）編隊控制技術。

在數學上，保持一定空間距離的無人機集群可以看作一個高階群系統時變編隊問題，其控制問題很有挑戰性，且通訊時延的存在又為編隊分析增加了難度。應用過程中，大規模的無人集群必須迅速并準確地分布于各個作業區域，進行有效的編隊。大規模無人機集群，從其特征上看，是一類非線性復雜系統，具有群體智能涌現固有的復雜性和隨機性的特性，其控制方法跟傳統方法有很大的區別。集群系統可以視為大量弱耦合子系統的集成，每個個體均具有一定的自主能力，但其能力具有局限性，而且集群中每個個體必須相互配合與協調才能完成復雜任務，因而，集群無人機具有分布式控制的本質特征。單一方法控制無人機集群往往不夠理想，可以采用一些外部干預，并進行控制規則深度化和廣度化對集群效果進行量化研究，使得不同作業的無人機集群能夠進行精準的單機或多機協同，達到所預期的要求。

可與預見，在不遠的未來，隨著無人機集群技術的不斷發展和應用，不僅將對軍事領域造成巨大影響，也將推動無人機產業在民用市場持續爆發，再掀產業發展的高潮。