近年來，無人機(jī)集群技術(shù)概念的提出及發(fā)展，有效解決了單個(gè)無人機(jī)作業(yè)時(shí)載荷相對(duì)較小，信息感知處理能力相對(duì)較弱的不足。無人機(jī)集群技術(shù)的研究與應(yīng)用已成為無人機(jī)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向，無人機(jī)集群不但能通過單機(jī)間的密切協(xié)作， 有效提升載荷能力和信息處理能力，并且無人機(jī)集群具有很高的“自愈”能力和很強(qiáng)的魯棒性。本文主要介紹了無人機(jī)集群技術(shù)的相關(guān)概念、國(guó)內(nèi)外無人機(jī)集群技術(shù)研究現(xiàn)狀、差異以及無人機(jī)集群發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)和未來無人機(jī)集群技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，為開展無人機(jī)集群的研究提供理論基礎(chǔ)。

 

       0 引言

 

       集群概念源于生物學(xué)研究。在自然界中，歐椋鳥群、鴿群、雁群、蟻群、蜂群、狼群等大量個(gè)體聚集時(shí)往往能夠形成協(xié)調(diào)一致、令人震撼的集群運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景。法國(guó)生物學(xué)家Pierre Paul Grasse基于白蟻筑巢行為，首次提出了生物集群的概念，并開始了智能集群的研究。典型生物集群行為如圖1所示。

 

 

       單無人機(jī)的應(yīng)用，由于受自身?xiàng)l件的限制，面對(duì)應(yīng)用環(huán)境的日益復(fù)雜以及任務(wù)多樣，頗顯局限。在軍事應(yīng)用上，單機(jī)易受自身的燃料、質(zhì)量和尺寸的限制，無法形成持續(xù)有力的打擊力度；在民用上，受載荷能力、機(jī)載傳感器以及通信設(shè)備的限制，單架無人機(jī)不能很好地完成農(nóng)林植保、測(cè)繪、搶險(xiǎn)救災(zāi)等任務(wù)；在警用安保上，單架無人機(jī)也會(huì)因被攻擊或自身故障導(dǎo)致任務(wù)失敗等。為解決單無人機(jī)應(yīng)用的局限性，美國(guó)空軍科學(xué)顧問委員會(huì)提出未來無人機(jī)的應(yīng)用將是以集群的方式。

 

       無人機(jī)集群是指由一定數(shù)量的同類或異類無人機(jī)組成，利用信息交互與反饋、激勵(lì)與響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)相互間行為協(xié)同，適應(yīng)動(dòng)態(tài)環(huán)境，共同完成特定任務(wù)的自主式空中智能系統(tǒng)。

 

       無人機(jī)集群不是多無人機(jī)間的簡(jiǎn)單編隊(duì)，而是通過必要的控制策略使之產(chǎn)生集群協(xié)同效應(yīng)，從而具備執(zhí)行復(fù)雜多變、危險(xiǎn)任務(wù)的能力。未來，無人機(jī)集群協(xié)同完成任務(wù)將成為無人機(jī)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的重要方面。無人機(jī)集群既能最大限度地發(fā)揮無人機(jī)的優(yōu)勢(shì)，提高整體的載荷能力和信息感知處理能力，又能避免單無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)被攻擊或任務(wù)效率不高的問題。

 

       1 國(guó)內(nèi)無人機(jī)集群技術(shù)研究現(xiàn)狀

 

       無人機(jī)已被各國(guó)廣泛用于國(guó)防建設(shè)和民用領(lǐng)域，隨著無人機(jī)技術(shù)的深入研究，無人機(jī)自主集群系統(tǒng)能夠通過緊密的協(xié)作完成各種復(fù)雜多變的任務(wù)，并且具備卓越的協(xié)調(diào)性、智能性和自主性，已成為無人機(jī)研究的一個(gè)重要方向。無人機(jī)集群作戰(zhàn)是指一組具備部分自主能力的無人機(jī)通過相關(guān)的輔助操作，在作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)監(jiān)控下，完成作戰(zhàn)任務(wù)的過程。美國(guó)國(guó)防部在《無人機(jī)系統(tǒng)路線圖2005-2030》中指出，到2025年，集群無人機(jī)將具備戰(zhàn)場(chǎng)認(rèn)知能力，能夠?qū)崿F(xiàn)完全自組織作戰(zhàn)。

 

       1.1 國(guó)外無人機(jī)集群技術(shù)研究現(xiàn)狀

       1.1.1 無人機(jī)集群分層控制研究現(xiàn)狀

 

       對(duì)無人機(jī)集群實(shí)施有效的控制是完成各種復(fù)雜集群任務(wù)的基礎(chǔ)。Cook W.J.等人認(rèn)為，無人機(jī)集群任務(wù)規(guī)劃問題屬于復(fù)雜問題的組合優(yōu)化，擬從運(yùn)籌學(xué)角度，采用分層控制方法解決此類問題。Boskovic J.D.等人將無人機(jī)集群任務(wù)規(guī)劃問題分解為決策層、路徑規(guī)劃層、軌跡生成層和控制層，其中，決策層負(fù)責(zé)無人機(jī)集群系統(tǒng)中的任務(wù)規(guī)劃與分配、避碰和任務(wù)評(píng)估等；路徑規(guī)劃層負(fù)責(zé)將任務(wù)決策數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成航路點(diǎn)，以引導(dǎo)無人機(jī)完成任務(wù)、規(guī)避障礙；軌跡生成層根據(jù)無人機(jī)姿態(tài)信息、環(huán)境感知信息生成無人機(jī)通過航路點(diǎn)的可飛路徑；控制層控制無人機(jī)按照生成的軌跡飛行。無人機(jī)集群任務(wù)規(guī)劃分層結(jié)構(gòu)如圖2所示。

 

 

 

       Tsourdos A等從多無人機(jī)任務(wù)協(xié)同路徑規(guī)劃的方向?qū)⒍鄼C(jī)協(xié)同任務(wù)規(guī)劃分為集群任務(wù)規(guī)劃分配層、協(xié)同路徑規(guī)劃層、控制層等三個(gè)層次[13]。研究表明，分層控制能夠降低無人機(jī)集群中任務(wù)分配問題的復(fù)雜性，提高集群任務(wù)分配效率。

 

       1.1.2 無人機(jī)集群控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

 

       根據(jù)集群控制系統(tǒng)中有無控制中心節(jié)點(diǎn)，分為集中式控制與分布式控制系統(tǒng)。集中式控制系統(tǒng)是由控制中心節(jié)點(diǎn)完成系統(tǒng)的任務(wù)規(guī)劃和協(xié)同工作，多機(jī)系統(tǒng)中的無人機(jī)只作為任務(wù)的執(zhí)行者。目前，已有多種集中式任務(wù)規(guī)劃的研究方法，如多旅行商問題、車輛路由問題、網(wǎng)絡(luò)流模型、混合整數(shù)線性規(guī)劃等。其中網(wǎng)絡(luò)流模型、混合整數(shù)線性規(guī)劃多用于解決多任務(wù)時(shí)使用。

 

       分布式控制系統(tǒng)中沒有控制中心節(jié)點(diǎn)，對(duì)單機(jī)來說在系統(tǒng)中地位是平等的，采用自主管理、協(xié)商的方式完成任務(wù)。如歐洲信息社會(huì)技術(shù)計(jì)劃（IST）開展的異構(gòu)無人機(jī)集群實(shí)時(shí)協(xié)同與控制項(xiàng)目（COMETS）采用的就是異構(gòu)無人機(jī)集群分布式實(shí)時(shí)控制技術(shù)。

 

       1.1.3 無人機(jī)集群任務(wù)協(xié)同算法研究現(xiàn)狀