國(guó)內(nèi)的無(wú)人機(jī)集群在編隊(duì)表演方面已經(jīng)演繹的淋漓盡致，但是在作業(yè)與軍事上還是鮮有研究，而國(guó)外特別是美國(guó)直奔戰(zhàn)場(chǎng)而去，并形成了理論。

 

 

       無(wú)人機(jī)技術(shù)正處于大力發(fā)展階段，單架無(wú)人機(jī)的系統(tǒng)集成度越來(lái)越高，功能也越來(lái)越強(qiáng)大。然而，面對(duì)日益復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境和多樣化的需求，無(wú)人機(jī)受其自身軟硬件條件的限制，仍有某些局限性：對(duì)單架無(wú)人機(jī)而言，其自身的燃料、重量和尺寸起著重要的限制作用，無(wú)法形成持續(xù)有力的打擊力度；受機(jī)載傳感器以及通信設(shè)備的限制，單架無(wú)人機(jī)也無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)任務(wù)區(qū)域的多維度、大范圍覆蓋；在執(zhí)行高風(fēng)險(xiǎn)任務(wù)時(shí)，單架無(wú)人機(jī)可能因?yàn)槭艿焦�擊或自身故障而失效，從而�?dǎo)致任務(wù)系統(tǒng)容錯(cuò)性不足等等。對(duì)小型無(wú)人機(jī)尤其如此。

 

       為彌補(bǔ)單架無(wú)人機(jī)的局限性，美國(guó)空軍科學(xué)顧問(wèn)委員會(huì)指出，無(wú)人機(jī)應(yīng)當(dāng)以集群的方式協(xié)同工作，而不是單獨(dú)行動(dòng)。在未來(lái)很多應(yīng)用場(chǎng)景中，無(wú)人機(jī)將體現(xiàn)出多機(jī)西戎工作的特點(diǎn)。即由多架相同或不同型號(hào)的UAV組成多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，協(xié)同作業(yè)，共同完成任務(wù)。無(wú)人機(jī)群，由多種型號(hào)的有人或無(wú)人機(jī)組成的混合集群，甚至無(wú)人機(jī)與其他有人或無(wú)人作戰(zhàn)機(jī)器如無(wú)人戰(zhàn)斗車輛組成的混合異構(gòu)群組，必然是未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)無(wú)人作戰(zhàn)機(jī)器的主要作戰(zhàn)形式。這樣，既能最大地發(fā)揮無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)，又能避免由于單架無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)效果不佳或失敗造成的不良后果，提高任務(wù)執(zhí)行效率，拓展新的任務(wù)執(zhí)行方式，從而達(dá)到提高系統(tǒng)可靠性、改善任務(wù)執(zhí)行效果的目的。

 

       多UAV協(xié)同工作的優(yōu)勢(shì)主要來(lái)源于信息融合和資源互補(bǔ)兩個(gè)方面。在多機(jī)并行執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中，每架無(wú)人機(jī)收集到的信息都是其各自位置上的局部信息，無(wú)人機(jī)群眾所有成員的信息又組合成一個(gè)信息模型，提供給鞠策系統(tǒng)進(jìn)行多機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的任務(wù)分工和調(diào)度，以提高任務(wù)的執(zhí)行效率；且當(dāng)某個(gè)成員失效時(shí)，能及時(shí)更新系統(tǒng)信息，動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)成員間的執(zhí)行效果，從而提高系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)性；受單機(jī)能力和任務(wù)要求的限制，需要多架無(wú)人機(jī)共同完成某項(xiàng)任務(wù)，或者多機(jī)相互配合，以滿足任務(wù)的時(shí)間、空間與指標(biāo)優(yōu)化等要求，達(dá)到資源和功能互補(bǔ)的效果，如對(duì)同一個(gè)目標(biāo)依序執(zhí)行確認(rèn)、攻擊和毀傷評(píng)估任務(wù)，對(duì)同一個(gè)執(zhí)行同時(shí)性的多角度跟蹤任務(wù)等。

 

       要指派多架UAV協(xié)同執(zhí)行一項(xiàng)任務(wù)，提高任務(wù)的效能，就離不開(kāi)合理高效的協(xié)同控制手段，必須對(duì)多機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行合理的協(xié)同任務(wù)規(guī)劃。它是對(duì)多無(wú)人機(jī)UAV協(xié)同執(zhí)行任務(wù)進(jìn)行研究的核心，設(shè)計(jì)控制理論、運(yùn)籌學(xué)、決策理論、圖論、信息論、系統(tǒng)論、計(jì)算機(jī)科學(xué)、榮恭智能、通信理論等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。

 

       在實(shí)際任務(wù)的執(zhí)行中、受UAV、任務(wù)要求和環(huán)境因素等的影響與制約，對(duì)多UAV進(jìn)行協(xié)同控制是一個(gè)極其復(fù)雜、極具挑戰(zhàn)性的過(guò)程，其復(fù)雜性主要體現(xiàn)在：

       （1）任務(wù)環(huán)境的復(fù)雜性：復(fù)雜的對(duì)抗性的動(dòng)態(tài)環(huán)境，可能包含著多種既有的和突發(fā)的威脅、障礙、極端天氣等，而且UAV與系統(tǒng)可能無(wú)法獲知或無(wú)法及時(shí)獲知環(huán)境的全局信息及其變化；

       （2）多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)成員間的差異：UAV數(shù)量以及不同UAV間的運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)特性、功能差異、信息收集與處理和通信能力的差異，而且無(wú)人機(jī)可能在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中失效等；

       （3）任務(wù)需求的復(fù)雜性：不同的任務(wù)具有不同的要求，其在作戰(zhàn)目標(biāo)、時(shí)序約束、時(shí)間沒(méi)感性約束、任務(wù)間耦合約束、任務(wù)指標(biāo)等各個(gè)方面均可能存在著差異，而且作戰(zhàn)目標(biāo)還可能存在著不確定性，如移動(dòng)目標(biāo)、目標(biāo)參數(shù)不確定等問(wèn)題；

       （4）計(jì)算復(fù)雜性：在進(jìn)行協(xié)同任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題研究時(shí)，不可避免的會(huì)碰到一個(gè)NP難題，即隨著問(wèn)題規(guī)模的線性增長(zhǎng)，如無(wú)人機(jī)數(shù)量、目標(biāo)數(shù)量等，問(wèn)題的解空間呈指數(shù)級(jí)的爆炸式擴(kuò)張，當(dāng)問(wèn)題規(guī)模增大時(shí)，從這個(gè)龐大的解空間中找到最優(yōu)解需要耗費(fèi)大量的計(jì)算，非常困難。當(dāng)任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求較高時(shí)，這個(gè)矛盾會(huì)更突出，甚至?xí)�直接以你選哪個(gè)協(xié)同任務(wù)的執(zhí)行效果；

       （5）通信約束的復(fù)雜性：任務(wù)環(huán)境的復(fù)雜多變就必然會(huì)對(duì)UAV機(jī)群的通信網(wǎng)絡(luò)造成影響，如通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化、寬帶受限、通信干擾、通信延時(shí)等，甚至可能會(huì)出現(xiàn)虛假通信等問(wèn)題，在考慮到UAV本身的通信設(shè)備性能限制，如通信距離和寬帶等，以及某些任務(wù)可能會(huì)要求通信盡可能的少，這極大的增加了多機(jī)協(xié)同問(wèn)題的復(fù)雜程度。

 

       在上述復(fù)雜性的共同作用下，多無(wú)人機(jī)協(xié)同任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題就編程了一個(gè)極其復(fù)雜的問(wèn)題，對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行建模與求解的難度也大大增加。作為無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)，多UAV協(xié)同控制方面的研究方向收到了美國(guó)軍方的極大重視，已經(jīng)被美國(guó)空軍研究局列為六大基礎(chǔ)研究課題①之一，也成為學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)之一。

       注① ：美國(guó)空軍研究局六大基礎(chǔ)研究課題：1）靈感來(lái)自生物的概念；2）協(xié)同控制；3）等離子體動(dòng)力學(xué)；4）太空微型科學(xué)；5）量子計(jì)算；6）用于可支付得起的新型系統(tǒng)的材料工程學(xué)。

 

       國(guó)外研究現(xiàn)狀

 

       為探索多無(wú)人機(jī)協(xié)同工作的理論與實(shí)現(xiàn)機(jī)理，國(guó)外已經(jīng)開(kāi)展了大量相關(guān)的研究項(xiàng)目。其中具有代表性的是美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）牽頭的自治編隊(duì)混合主動(dòng)控制項(xiàng)目（Mixed Initiative Control of Automata-teams，MICA②）、廣域搜索彈藥項(xiàng)目（Wide Area Search Munitions，WASM）和歐洲信息社會(huì)技術(shù)計(jì)劃（Information Society Technologies，IST）資助的異構(gòu)無(wú)人能及群實(shí)時(shí)協(xié)同與控制項(xiàng)目（Real-time Coordination and Control of Multiple Heterogeneous UAVs，COMETS③）等。

 

 

       注② ：ＭＩＣＡ 項(xiàng)目的目標(biāo)是，在減少操作員人為干預(yù)的前提下提升無(wú)人機(jī)的自主與協(xié)同控制能力，涉及的研究?jī)?nèi)容包括無(wú)人機(jī)自主協(xié)同作戰(zhàn)的分層控制結(jié)構(gòu)、多無(wú)人機(jī)自主編隊(duì)控制方法和無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)的建模與仿真技術(shù)等，參與研究的機(jī)構(gòu)包括加州大學(xué)伯克利分校、麻省理工學(xué)院（ ＭＩＴ ） 以及霍尼韋爾公司（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ）等。

 

       注③ ：歐洲COMETS項(xiàng)目是一個(gè)多國(guó)合作的民用研究項(xiàng)目，其研究對(duì)象是一個(gè)由包括無(wú)人直升機(jī)和無(wú)人飛艇在內(nèi)的多平臺(tái)異構(gòu)無(wú)人機(jī)群組成的協(xié)同探測(cè)與監(jiān)視系統(tǒng)，研究目標(biāo)是為該異構(gòu)多UAV設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)分布式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，集成分布式感知與實(shí)時(shí)圖像處理等技術(shù)，并在森林火災(zāi)監(jiān)視任務(wù)中對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行演示驗(yàn)證。該項(xiàng)目的相關(guān)結(jié)果已經(jīng)陳列在其官方網(wǎng)站上http://www.comets-uavs.org/），最終成果也已經(jīng)集中出版。