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看集群技术如何改变无人机,集群无人机的有哪些应用前景

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看集群技术如何改变无人机,集群无人机的有哪些应用前景

目前,中国国内大专院校和科研院所正一边致力于集群无人机的理论研究,一边开展工程技术验证,且取得了骄人的成绩。国外则是以项目制形式推进对该技术的研究。尤其是美国,已经投入了不少资源,在无人机集群高风险/高回报的概念验证研究方面成效显著。无中心化、自主化、自治化,是无人机集群的重要特点。未来,随着集群技术的深入研究,集群无人机的应用也将被慢慢挖掘出来。

集群无人机的应用前景怎么样呢?我爱无人机网小编收集到无人机集群相关信息供大家参考

1.军用领域

2017年11月2日,一张从空中俯拍、展现中国空军3架歼20和3架歼16在跑道上停驻的照片,吸引了所有军事爱好者的目光。这张照片由李韶鹏摄于中国人民解放军建军90周年朱日和沙场大阅兵期间,两款战机摆出的阵势有一个专用术语——“大象漫步(Elephant Walk)”。该阵势的使用,最早可追溯至第二次世界大战期间,当时盟军动辄出动上千架轰炸机执行任务。飞机以密集编队在跑道上滑行,几乎是机尾贴着机头,看起来很像“大象们挨个踏过水坑”,因此得名“大象漫步”。这种大机群密集阵型的滑行起飞,大大提高了跑道的利用率,但对战机飞行员的操纵水平和机场空管能力提出了很高要求。

2016年5月,美国空军正式提出《2016 – 2036年小型无人机系统飞行规划》,希望构建横跨航空、太空、网空(网络空间)的小型无人机系统。规划提出,要在2036年实现无人机集群作战,从战略层面肯定小型无人机系统的前景和价值。由此,笔者大胆推测,在不远的未来,军用领域很可能出现有人机与无人机协同作战,甚至无人机集群单独作战的模式。未来军队对飞行器的需求,大概率是海量无人机的集群,就像二战期间伦敦上空的Ju-87“斯图卡”俯冲轰炸机群,或者东京上空的B-29“超级空中堡垒”重型轰炸机群。

2.民用领域

在民用领域,集群无人机不仅将大幅提高快递物流、精准农业、应急救援、遥感测绘等行业的作业效率,还会改变民众的休闲娱乐方式。

(1)快递物流

互联网热潮带来了电子商务的大好局面,也驱动着无人系统技术的快速发展。前文曾提到美国亚马逊公司准备用小型无人机构建无人机集群,组成一个“巨型运输机”,以完善自身的无人机物流方案。除此以外,该公司还研发了Kiva仓储搬运机器人(简称AGV)。二者都引起了业内的持续关注。

而在国内,无人机送货正成为电商拓展广大农村市场的利器。2016年6月8日,京东集团用1架三轴无人机在江苏宿迁,成功完成首单无人机送货。2017年6月18日,1架由京东自主研发的无人机在西安航天基地管委会南广场顺利完成了快递投放任务。与此同时,该集团宣布将在西安市规划40余条无人机航线,实现载重10 – 15千克、航程15 – 20千米的无人机常态化运营,而载重200 – 2000千克、航程超过500千米的大型送货无人机也在研制中。

未来无人机被大量用于物流运营后,必然带来复杂的管理问题。在实际运用场景中,面对高达百万的订单量,无论是通过调配算法,实现仓储机器人和无人机的相互避让,还是支持不同功能的机器人与无人机协同作业,都需要集群技术的支撑。

(2)精准农业

随着植保无人机的广泛应用,业界目光已经从单纯的无人机农药喷洒逐渐扩展到农业信息采集、农业光谱数据分析等领域。为了弥补单机作业的缺陷,无人机集群技术开始引起从业者的注意。

目前正在进行的SAGA(Swarm Robotics for Agricultural Applications)农业应用的机器人集群项目,将帮助绘制农田杂草地图,以提高作物产量。该计划是接受ECHORD++资助的研究项目,设想让多架无人机互相配合,协同监测规定的农田区域,并通过机载视觉设备精确地找到作物中的杂草,最终绘制出农田杂草地图。

要实现这一目标,集群中的无人机必须先互相交换信息,然后充分利用各自获取的信息,优先在杂草最密集的区域作业。这种算法类似自然界中蜜蜂群尽可能地在花朵最密集的区域采蜜,通过优化路径提高作业效率。

(3)应急救援

发生自然灾害时,救援人员的首要任务是建立临时通信网络、查看灾情,再出动直升机等交通工具运输物资和人员。除了价格昂贵的卫星通信,无人机集群是解决救灾中通信问题的最佳选择。

瑞士联邦理工学院(洛桑)的智能系统实验室,在进行微型蜂群飞行器网络项目时开发了一套可在灾区快速搭建通信网络的微型飞行机器人集群。这种机器人能够在复杂地形下快速地布置到灾区,并以自身为节点,在最短的时间内恢复灾区的通信网络。无人机集群具有成本低、可消耗、部署简便、使用灵活等特点,无疑为应急救援的通信保障提供了一种解决方案。

(4)遥感测绘

在行业应用中,遥感与对地观测及地理信息采集的需求一直广受关注。由于单机作业时,大范围的对地观测往往需要消耗很长时间,因此引入无人机集群技术,可解决时间和效率的难题。

对有地理信息需求的行业而言,无人机都有成本、技术和便利性方面的优势,极具吸引力。而对地观测是一种天然可并行的任务类型,其作业效率与无人机数量线性相关。在遥感测绘领域,集群技术可支持少量的工作人员控制大量的无人机并行作业。无人机集群协调对地观测的典型路径如下图所示。这类集群算法通过设定1个优化函数,协调各个无人机的任务路径。在执行存在诸多不确定因素的地面目标跟踪之类的时变任务时,无人机集群技术具有极大的优势。

(5)休闲娱乐

本文开篇曾提到2017年年末, 1 180架无人机在广州海心沙广场进行的编队表演,引得网友争相转发。目前,无人机厂家、艺术家、游乐园运营商、传统灯光秀团队等都对无人机集群演出的前景表现出极大兴趣。未来,比传统烟花更经济、高效、安全的无人机集群灯光秀必将频繁出现。

集群无人机的关键技术

集群无人机的关键技术

相对单机系统,无人机集群天然地拥有规模优势,能够完成更加复杂的任务,具有更好的鲁棒性(在异常和危险情况下系统不易出错的能力)、更强的生存能力以及巨大的成本优势。这也是无人机的重要发展方向。

目前无人机集群技术尚处于概念研究和初步验证阶段,更多地表现在编队表演方面。而未来发展的方向,是将自组织机制引入无人机平台,真正实现复杂、动态、不确定环境下的无人机集群。需要解决的关键问题包括:集群感知与信息共享、集群智能协同决策、通信及组网技术、协同编队控制技术等。

(1)集群感知与信息共享

集群感知与信息共享是无人机集群控制与决策的依据。通过无人机的机载传感器,集群系统平台能感知到战场态势,获得更广大的观测范围、更精准的定位精度以及更优秀的鲁棒性。利用机间链,集群无人机可实现态势信息共享,形成统一的通用作战视图,为集群作战奠定基础。这一阶段涉及的技术,包括协同目标探测、协同目标状态融合估计、协同态势理解与共享等。

(2)集群协同智能决策

无人机集群协同决策是实现集群优势的核心。集群协同智能决策的目标,是针对高对抗性的战场环境,提高系统的整体生存能力——在可能损失部分无人机的决策前提下,加强整个系统的生存能力,确保完成任务。

无人机集群协同决策的内容包括威胁的判断、目标优先权的排序、目标分配等任务的动态分配与调度。在这一阶段,需考虑各个无人机的任务分配是否存在冲突,重点消除多机之间的任务耦合,以应对动态、不确定的外部环境,实现基于任务和无人机能力的协同决策,制定高效合理的任务计划。良好的集群协同智能决策,可使无人机执行任务时的生存概率和作战效能达到最佳。

(3)通信及组网技术

通信技术、组网技术都是无人机集群化发展的关键技术。要想实现集群中单个个体间的相互通信,就得建立强大且稳定的数据链路。无论是中转网络还是主要网络平台,对无人机集群的作战迁移路径和提供网络服务能力都至关重要。

集群对抗环境对通信链路的要求同样严苛,既要满足地面站与无人机、无人机与无人机、无人机编队与无人机编队之间存在一定冗余的信息交互,又要尽量减少通信延迟,保证信息交互的实时性。

(4)协同编队控制技术

无人机编队和集群技术

无人机协同编队飞行,就是让多架无人机按照一定的队形排列,并确保在整个飞行过程中队形不变。当某架无人机因敌方的通信干扰,或受到攻击掉队失踪时, 剩余无人机应能立刻填补留下的空缺。这就是协同编队的意义所在,飞行中的无人机能随时通过信息共享,在飞行中改变原有队形,自发地对突发事件做出反应。也就是说,集群中的所有飞行器都要在执行任务时根据具体情况来分担各自的任务。

协同编队控制是无人机集群执行任务的基础和最基本形式。无人机集群在执行任务过程中,会形成并保持一定的几何构型,以适应平台性能、战场环境、战术任务等。在这一阶段,需要解决两个问题:一是编队构成/重构,包括起飞前编队的生成、遇障碍时编队的拆分和重建、增加或减少无人机时编队的重构等问题;二是编队保持,包括飞行中编队的保持、不同几何形态下的编队切换,以及保持几何形态不变下的编队收缩、扩张、旋转控制等。

无人机编队和集群技术并不是最近才爆出的黑科技。早在2003年的伊拉克战争中,美军就将多种不同型号的无人机组成一个广域无人机作战集群,其中“全球鹰”在高空执行侦察任务;“捕食者”、“先锋”、“猎人”、“影子200”等在中空执行侦察或打击任务;“龙眼”、“指针”等则在低空执行战术侦察任务。目前,并没有哪个国家的军队把微小型无人机集群作为主力兵器,而是在特定情况下能出奇制胜的奇兵。不过随着战场环境的日益恶化、无人机自主能力的不断提高,无人机集群作战必将成为未来无人机系统应用的一种重要形式。

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