無人機集群遙感觀測淺析

吳超宇

摘要：近些年來，隨著無人機的與傳感器的發展，無人機遙感取得了迅猛的發展與廣泛的應用， 已經成為新的研究熱點。但是由于無人機自身的局限，限制了傳感器的尺寸與性能。因此可將無人機集群技術應用于無人機遙感中，通過集群行為提高無人機遙感的觀測能力。本文詳細闡述了無人機集群的發展現狀，指明了無人機集群遙感觀測的關鍵問題：無人機集群遙感觀測任務規劃，無人機集群控制、無人機自組網，遙感數據處理，并對這些問題的研究方法及現有問題進行了分析。最后，展望了無人機集群遙感觀測的發展方向。

關鍵詞：無人機遙感;集群;規劃;控制

中圖分類號：TN924+.2 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）04-0205-03

1 無人機遙感觀測

無人機的定義為“不載乘任何操作人員，利用空氣動力進行飛行，能夠自主或遠程領航控制，可擴展和回收并可攜帶有效載荷的無人飛行平臺”[1]。

無人機遙感觀測指將無人機作為平臺，攜帶遙感觀測載荷，如相機，雷達，激光成像儀等，通過遙感信息回傳技術獲取高分辨率的觀測數據[2]。傳統遙感觀測主要通過衛星或是載人飛機完成，相對于衛星而言，無人機遙感觀測避免受云層干擾的現象，相對于有人機而言，無人機遙感觀測可以克服有人機對起降地點，天氣等要求高的缺點，輕便靈活，因而具有更為廣闊的應用前景。

無人機遙感可分為無人機系統和遙感傳感器兩部分。無人機系統主要包括無人機機體，飛控系統和地面站三部分。機體部分可搭載不同的載荷以完成遙感任務。飛控系統通過對無人機自身數據進行分析，與地面進行互動，控制無人機完成給定的飛行任務。地面站主要負責對無人機飛行狀態的監控和控制命令的下達。遙感傳感器主要為無人機攜帶的各種光電載荷，根據觀測任務搭配不同的光電載荷。

2 無人機集群

無人機集群是目前無人機發展的一個重要方向。該方法的產生來自于對自然界生物集群現象的研究。在自然界我們可以看到大量生物集群的現象，如魚群，蟻群，蜂群，這些生物集群都存在一定的共同點，即個體行為簡單，通過一定簡單的群體規律形成群體行為，完成一些復雜的任務。如蟻群中，每個螞蟻的能力非常弱，行為也非常簡單，但是通過信息素的揮發，群體能夠尋找到到達食物的最短距離，從而完成覓食行為[3]。對無人機來說，當單個無人機能力有限，難以完成復雜的任務時，可以通過一定的規則對無人機進行控制，使其按照一定約束條件的智能化的無人機編成群組，通過生物仿真計算模擬生物集群行為策略，按照去中心化方式實施管理，實現高度智能自主協同作戰活動。

3 無人機集群遙感觀測

近些年來無人機平臺的發展取得了長足的進步，各種性能更為優異的無人機被研制出來，遙感載荷也不斷向著精度高、靈敏度高的方向發展。但是，無人機自身尺寸與載重量對遙感載荷作出了限制。由于無人機的小型化，輕便化，導致無人能攜帶的載荷質量小，體積小，這對無人攜帶的遙感載荷提出了一定的尺寸要求，無人機難以攜帶一些體積較大，質量較重的遙感載荷，這就限制了無人機遙感的觀測精度以及觀測范圍[4]。基于此，提出無人機集群遙感觀測的想法，通過多架無人機攜帶相同的遙感載荷來增大無人機遙感的觀測范圍，通過無人機攜帶不同遙感載荷相互配合來提高無人機遙感的觀測精度。

4 無人機集群遙感觀測關鍵技術

4.1 無人機集群遙感觀測任務規劃

相比于單無人機遙感觀測預規劃來說，無人機集群遙感觀測預規劃從任務的深度與廣度，執行機構的數量都有了較大增長，無人機怎么飛？分散還是集中？觀測哪些區域？路徑如何？這些問題都需要在無人機集群在執行遙感觀測任務之前規劃完成。任務規劃是整個無人機集群遙感觀測必須解決的問題，可分為任務分配和航跡規劃兩步：

4.1.1 任務分配

任務分配是無人機集群遙感觀測時一個必要決策。對無人機集群進行任務分配時，需要對無人機數量、性能、遙感載荷類型及觀測距離精度、任務類型、天氣以及地形進行分析。因此，無人機集群遙感觀測任務分配問題可視為多約束條件下的最優化問題[5]。合理的建立任務分配模型，構造優化函數與約束條件，選取合理的算法求解是該問題的一般解決方法。目前有不少論文對無人機集群遙感觀測任務分配進行了求解，求解方法主要分為3類，群智能算法，數學規劃算法和協商法。

4.1.2 航跡規劃

對單無人機遙感觀測，航跡規劃是其執行任務必須完成的一步，同樣，對于無人機集群遙感觀測，航跡規劃仍是執行任務的關鍵問題，而且相對于單無人機航跡規劃，無人機集群航跡規劃還需要考慮各個無人機之間避撞，所以該問題更為復雜[6]。無人機集群航跡規劃的算法同樣可以分為三類：一種是通過單無人機航跡規劃演化而來的算法，一種是通過路徑優化方法進行的無人機集群航跡規劃，第三種是群智能算法。

4.2 無人機冗余容錯集群控制

在大型系統中，每個組件都被設計來完成一個特定的功能，并且只有當所有的組件都正常運行時才能產生令人滿意的效果。因此，單個組件故障通常都會影響系統的整體性能，產生不可控的后果甚至無法運行。為了避免發生故障造成的損傷及其帶來的工程應用損失，要求系統具有對故障自動處理的能力，即容錯能力。控制系統對故障的方法有：（1）容錯控制設計;（2）乘性故障基礎上的參數估計技術鑒定;（3）利用函數逼近法設計控制律和自適應律;（4）利用殘差技術的故障檢測;（5）其它的設計和分析技術。如圖1即是冗余容錯系統的基本體系。

集群控制也是無人機集群遙感觀測必須解決的問題。當多架無人機同時飛行時，如何控制整個群體是一個非常復雜的問題，主要有三種控制方式：（1）對每一架無人機單獨進行控制;（2）無人機形成編隊后對編隊進行控制;（3）仿照生物行為的控制，即設置控制器，使得無人機自行確定自身行為。

無人機集群形成編隊后對編隊進行控制是一種相對簡單的控制方法。對于無人機編隊控制主要考慮三大過程，即無人機編隊集結，隊形保持，編隊重構三個過程[7]。編隊集結是無人機集群由雜亂向著有序發展的過程，在編隊集結過程中主要考慮外部避障，無人機內部之間避障，無人機自身性能限制，無人機之間的通信以及效率等問題。隊形保持是無人機集群執行任務時的狀態，無人機以既定順序排列，可提高無人機集群遙感觀測的效率。隊形保持主要需要考慮外部避撞，編隊內通信保障，無人機之間氣動影響等問題。編隊重構是無人機集群狀態的變換過程，一般情況下，無人機集群很難以一種狀態完成整個任務，需要改變隊形以適應不同的遙感觀測任務，或是編隊中存在無人機損失的情況下，都需要進行編隊重構。這個過程中考慮的因素與編隊集結過程中相同。無人機集群編隊控制主要的方法有領航-跟隨者法[8]，基于一致性理論方法，人工勢場法[9]等。領航-跟隨者法是編隊控制最常用的方法，而且經常與其他方法相結合來實現無人機集群編隊控制。該方法在無人機群體中選取一架無人機作為領航者，給定預設航跡，跟隨無人機需要獲取領航無人機的狀態參數，調整姿態。這種控制方式大大減少了無人機控制的工作量。對無人機集群遙感觀測來講，運用這種方法進行集群的控制較為可靠。

4.3 無人機自組網

無人機自組網即無人機之間的通信不依賴與地面控制站或衛星等基礎通訊設備，而是將無人機作為網絡節點，各節點之間能夠相互轉發控制指令，交換感知態勢，健康情況等數據，自動連接建立起一個無線移動網絡[10]。無人機集群飛行過程中，無人機需要實時與地面保持通信，同時無人機為了避免撞擊，或者保持編隊，需要對獲取周圍無人機的狀態數據以及領航無人機的信息。建立無人機自組網是保證無人機集群能夠正常運行的關鍵。

無人機自組網的應用首先可以提高無人機集群的擴展性。如果無人機之間不能形成通信網絡，無人機集群的控制方式只能是每架無人機單獨控制，這種方法只能應用于無人機數量較少的集群，當無人機數量較大時，該方法難以保證有足夠的人力物力來支撐。通過無人機自組網，無人機之間能夠交換信息，可通過無人機編隊或是生物集群控制方法實現無人機的控制。同時無人機自組網擴大了無人機集群遙感觀測范圍。若無人機僅能與地面設施建立通信鏈路，無人機的使用范圍被局限在地面設施的覆蓋范圍內，而通過無人機自組網，無人機集群中可有部分無人機作為通信中繼無人機，其他無人機可通過與中繼無人機保持通信來獲取信息[11]。無人機自組網還可以避免干擾提高通信可靠性。傳統通信方式下，地面基礎設施的信號容易被山峰，建筑物等障礙物影響[12]，而無人機自組網具有自愈性，可以通過與其他無人機通信來解決部分節點通信受阻的問題。

無人機自組網針對節點的快速移動的特性，對組網的MAC協議，路由協議等均造成了較大難度。目前，針對無人機自組網MAC協議，有研究提出了基于競爭類的MAC協議和基于調度類的MAC協議兩類。無人機自組網路由協議主要包括五類：靜態路由，先應路由，反應路由，混合路由和基于地理位置的路由。各種路由協議各有優勢，需要依靠使用環境進行選擇并加以改進研究。但是目前MAC協議和路由協議的設計方法并不完善，不能完全解決無人機高速移動導致的網絡不穩定問題[13]。

5 結語

作為未來無人機的一個重要發展方向，無人機集群必將擁有廣闊的應用前景，而無人機集群遙感觀測也將成為無人機遙感的一種重要應用方式。本文指出目前無人機集群遙感觀測的實現需要解決的四大問題：無人機集群遙感觀測任務規劃、無人機集群控制、無人機自組網以及遙感大數據處理。目前無人機集群任務規劃已有了較多成果，主要解決方法分為三類：群智能算法、協商法以及數學規劃算法，但是目前對于無人機集群任務規劃問題的研究多數處于理論層面，距離走向工程實際還有一定的距離;對于無人機集群控制，已經進行了較多研究，主要方法分為3類：對單個無人機進行控制、無人機形成編隊進行編隊控制和仿照生物集群行為對無人機集群進行控制，單獨控制的方法需要耗費較大的人力，實用性較低，編隊的方法是目前常用的控制方法，技術相對成熟，仿照生物集群行為對無人機集群進行控制是無人機集群控制發展的方向，可簡單解決大量無人機潔群控制的問題，目前還在理論研究過程中; 而無人機自組網技術是擴大無人機集群觀測范圍的關鍵步驟，但是目前仍不能解決無人機高速移動導致的網絡不穩定問題;在無人機集群遙感觀測的情況下，遙感數據必將大量增加，呈現大數據的特征，而目前遙感大數據處理技術并不成熟，在信息的深度融合，機器學習，分析平臺的研究等方面仍存在很大的缺口。綜上，無人機集群遙感觀測想要實現應用仍有很長的一段路要走。

參考文獻

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