無人機智能集群，又是無人機行業(yè)的一個技術(shù)風(fēng)口。

  從成群遷移的角馬、集體飛行的鴿子、結(jié)隊巡游的魚類，到覓食的螞蟻、采蜜的蜜蜂，乃至細菌等微生物、細胞和蛋白質(zhì)，不同尺度的生命體集群行為普遍存在于自然生物界。它們都有同樣的特點：單體都很弱小，也沒什么智能，有著非常強大的群體協(xié)作能力。每一個蟻穴或者蜂巢都是一個完整的群體，分工明確，個體之間存在著豐富有趣的信息交流語言，社會行為豐富。

  無人機集群概念正是起源于生物集群行為，逐漸吸引了大批學(xué)者的關(guān)注，從而掀起了研究高潮，并逐漸涌現(xiàn)了諸多智能集群算法，如蟻群算法和粒子群優(yōu)化算法。所以，在對蜂群、螞蟻的集群智能行為的模擬之上，研究出了現(xiàn)在的無人機智能集群技術(shù)，以單個無人機間通過彼此的感知交互、信息傳遞、協(xié)同工作在險惡的環(huán)境下可以低成本完成多樣性的復(fù)雜任務(wù)。

  進入21世紀，隨著科學(xué)技術(shù)的進步，開發(fā)無人機智能集群系統(tǒng)已成為無人機的一個重要發(fā)展方向。通過緊密的協(xié)作，無人機集群體系可以體現(xiàn)出比傳統(tǒng)人工系統(tǒng)更卓越的協(xié)調(diào)性、智能性和自主能力。因此，從應(yīng)用樣式來看，無人機的應(yīng)用樣式逐步從單平臺向多平臺“集群”方向發(fā)展。從技術(shù)角度來看，無人機的研發(fā)熱點逐步從單機飛行控制向多機協(xié)同，編隊組網(wǎng)方向發(fā)展。

  -集群無人機優(yōu)勢-

  俗話說：雙拳難敵四手，好漢架不住群狼。一系列理論研究表明：無人機集群作戰(zhàn)能夠?qū)崿F(xiàn)對單元作戰(zhàn)能力更大勝率。近年流行的兩個科幻電影《星際迷航》《獨立日》等，細心的觀眾可能都發(fā)現(xiàn)了，電影里不僅出現(xiàn)了無人機，更展示了無人機集群作戰(zhàn)概念和作戰(zhàn)優(yōu)勢。

  那么，在未來信息化、網(wǎng)絡(luò)化、體系對抗作戰(zhàn)環(huán)境下，無人機集群相對單無人機系統(tǒng)，具體具備哪些優(yōu)勢？

  低生產(chǎn)成本，高使用效率

  無人機集群系統(tǒng)一般由不同的平臺實現(xiàn)高低混搭。集群中使用大量分散的低成本系統(tǒng)形成功能互補。針對不同的任務(wù)目標，可通過調(diào)整搭配的各型無人機的數(shù)量快速適應(yīng)，免去了開發(fā)專用復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)備的成本。在軍事領(lǐng)域中，相比于傳統(tǒng)武器系統(tǒng)，無人機集群的壽命周期費用低。例如一枚“魚叉”導(dǎo)彈120萬美元的成本可以購買80架“郊狼”無人機，且不須要長時間服役的維修保養(yǎng)費用。無人機集群一方面流程化生產(chǎn)成本低，組裝速度快，另一方面可以快速消耗敵方防空導(dǎo)彈，高效摧毀敵方雷達等高價值裝備，具有非對稱的成本優(yōu)勢。

  分布式集群智慧

  集群中大量的終端平臺可實現(xiàn)分布式投票以解決問題，集群作業(yè)中每一個終端得到的信息各不相同，做出的決策可能五花八門。在這種情況下，將集群中的決策進行匯總和投票，可以顯著提高結(jié)果的正確性，避免隨機誤差。

  分布式探測

  無人機集群具有分散度高，局部感知能力強而全局感知能力弱的特點。但是如果能把集群中的每一個終端的探測信息匯總?cè)诤?，可以實現(xiàn)全局信息的高效獲取。

  更高的可靠性

  無人機集群的分布式特性決定了當(dāng)集群中的部分設(shè)備故障后，其他無人機可以迅速重新規(guī)劃任務(wù)，填補空缺，從而完成預(yù)定的全部目標或大部分目標。避免傳統(tǒng)大型復(fù)雜專用系統(tǒng)的低冗余缺陷。能夠極大地提高行動的成功率。

  -無人機集群控制關(guān)鍵技術(shù)-

  與蜂蟻不同，無人機是通過人工智能技術(shù)等達到“智能”的感知，因此，無人機集群技術(shù)并不是簡單的把一堆無人機放到一起，然后再安排一大堆操控手，一對一操作。無人機集群協(xié)作的實現(xiàn)，需要通過自組機制引入無人機平臺，真正實現(xiàn)復(fù)雜、動態(tài)、不確定環(huán)境下的集群無人機的智能協(xié)同，面臨著很高的技術(shù)壁壘。

  無人機集群自主編隊控制。

  編隊飛行是無人機集群執(zhí)行任務(wù)的基礎(chǔ)和基本形式。編隊控制是指無人機集群在執(zhí)行任務(wù)過程中，控制無人機形成并保持一定的幾何構(gòu)型，以適應(yīng)平臺性能、戰(zhàn)場環(huán)境、戰(zhàn)術(shù)任務(wù)等需求的技術(shù)。編隊控制主要解決兩方面的問題：一是編隊的生成和保持，包括面向空間、時間和通信拓撲的構(gòu)型優(yōu)化，不同幾何形態(tài)間的隊形切換，隊形不變條件下的編隊收縮、擴張和旋轉(zhuǎn)等；二是編隊構(gòu)型的動態(tài)調(diào)整和重構(gòu)，如遇到障礙物時編隊的分離與重新融合，編隊成員增加或減少時的隊形調(diào)整，以及作戰(zhàn)目標改變、威脅環(huán)境變化等其他突發(fā)情況下的編隊重構(gòu)。

  飛行密集區(qū)域的協(xié)調(diào)管控。

  以當(dāng)下的研究熱點無人機物流技術(shù)為例，如何讓未來漫天的快遞無人機像人類快遞小哥一樣高效而有序的完成工作，同時能夠在繁忙密集的飛行區(qū)域準確的避開同類障礙，就需要相互協(xié)作和協(xié)調(diào)管控。這些任務(wù)本質(zhì)上相當(dāng)于運作一個集群系統(tǒng)，單一的無人機顯然無法做到，需要整個集群自行分解，調(diào)度，協(xié)調(diào)和管控。

  動態(tài)自組織網(wǎng)絡(luò)。

  無人機集群協(xié)同工作時將進行信息的交換和管理，需要數(shù)據(jù)鏈支持，因此，構(gòu)建自適應(yīng)的寬帶無線數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)無人機集群作戰(zhàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。在自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中，由于無人機的隨機移動，開機關(guān)機以及地形干擾等問題，無人機間的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)隨時可能發(fā)生變化，所以高效的動態(tài)自組織網(wǎng)絡(luò)也是集群的關(guān)鍵技術(shù)。

  集群協(xié)同態(tài)勢感知和共享。

  多無人機協(xié)同態(tài)勢感知是無人機集群控制和決策的基礎(chǔ)。在無人機集群中，多架無人機可配備不同的傳感器，通過相互協(xié)同工作，獲得更大的范圍、更高的精度及更強的魯棒性。要實現(xiàn)態(tài)勢的協(xié)同感知，需要進行協(xié)同目標探測、目標識別和融合估計、協(xié)同態(tài)勢理解和共享，以獲取完整、清晰、準確的信息，為決策提供支持。在集群信息共享的過程中，如何將感知到的目標、平臺狀態(tài)信息傳遞到其他個體，使得整個系統(tǒng)既能滿足可用帶寬限制以減小被偵測到的概率，又能滿足協(xié)同控制和決策的需要，是非常重要的問題。

  無人機集群協(xié)同智能決策。

  無人機集群協(xié)同決策是實現(xiàn)無人機集群優(yōu)勢的核心。無人機協(xié)同決策的目標，就是針對高對抗的戰(zhàn)場環(huán)境，提高系統(tǒng)的整體生存能力，在可能損失部分無人機的條件下，加強整個系統(tǒng)的生存能力，確保任務(wù)的完成率。無人機集群協(xié)同決策的內(nèi)容包括威脅的判斷、目標優(yōu)先權(quán)的排序及目標分配等任務(wù)的動態(tài)分配與調(diào)度，需要重點考慮多機之間的任務(wù)分配的沖突消解，消除多機之間的任務(wù)耦合，應(yīng)對動態(tài)、不確定的外部環(huán)境，實現(xiàn)基于任務(wù)和無人機能力的協(xié)同決策，制定高效合理的任務(wù)計劃，使得無人機在執(zhí)行任務(wù)的生存概率和作戰(zhàn)效能達到最佳。針對高對抗、強不確定及時間敏感的環(huán)境中隨時可能出現(xiàn)的包括任務(wù)目標改變、威脅和環(huán)境變化、集群成員損傷等突發(fā)情況，需要無人機集群具備實時任務(wù)調(diào)整和重規(guī)劃的能力，快速響應(yīng)外界環(huán)境的變化，提高任務(wù)效率和使用靈活性。

  -民用無人機集群，下一個市場熱點？-

  正如無人機的誕生源于戰(zhàn)場上的軍事需求，無人機集群的概念也是從國防領(lǐng)域率先開始理論研究和實踐證明。隨著無人機智能化技術(shù)的更新、迭代，這種無人機“打群架”優(yōu)勢也在廣泛運用到民用領(lǐng)域，尤其是行業(yè)應(yīng)用無人機領(lǐng)域，當(dāng)下火爆的無人機物流快遞就涉及到集群的應(yīng)用。作為最早專攻于中國無人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用領(lǐng)域的團隊，一飛，研發(fā)的無人機集群控制技術(shù)已經(jīng)在智慧農(nóng)業(yè)、智能物流、智能編隊等多個商用無人機領(lǐng)域開展了大規(guī)模的推廣應(yīng)用：

  物流快遞

  互聯(lián)網(wǎng)熱潮帶來電子商務(wù)的繁榮，消費升級背后也正驅(qū)動著無人系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展。就在前不久，一飛發(fā)布的三款無人機物流產(chǎn)品，引起了行業(yè)內(nèi)注意。三款產(chǎn)品覆蓋支線到末端應(yīng)用場景，未來將與無人車、無人倉等地面無人系統(tǒng)接駁，形成一個全自主物流無人網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

  未來，隨著無人機技術(shù)在物流快遞的大規(guī)模商業(yè)落地，必然會帶來復(fù)雜的管理問題，大規(guī)模訂單的并發(fā)，不同無人機之間的協(xié)作流暢，都需要集群技術(shù)調(diào)配支撐。

  農(nóng)業(yè)植保

  眾所周知，無人機在農(nóng)業(yè)應(yīng)用的廣泛展開，業(yè)界目光已經(jīng)從單純的無人機噴灑逐漸擴展到無人機農(nóng)業(yè)信息采集、農(nóng)業(yè)光譜數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域，精準農(nóng)業(yè)趨勢下，單純的單機作業(yè)缺陷逐漸將暴露出來，這就需要無人機之間能夠作為一個整體協(xié)調(diào)工作，以便有效地覆蓋大面積區(qū)域并進行信息交互與協(xié)同作業(yè)。一飛目前擁有國際領(lǐng)先的大數(shù)據(jù)平臺，結(jié)合植保無人機飛控系統(tǒng)以及厘米級RTK精準定位等軟件系統(tǒng)，提出了從硬件到軟件生態(tài)系統(tǒng)的精準農(nóng)業(yè)解決方案，包括群體智能技術(shù)。

  智能編隊

  編隊表演，應(yīng)該是大眾對無人機集群控制技術(shù)應(yīng)用最熟悉的領(lǐng)域。通過將這項技術(shù)與藝術(shù)結(jié)合，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的煙花表演，讓冰冷的機械科技變得有溫度。而其獨有的環(huán)保安全、可定制化、可塑性且自帶傳播話題性等特點，讓無人機集群演出的市場前景十分被看好。

400架無人機編隊創(chuàng)越天津之眼

  以上視頻是一飛無人機集群表演的一個案例。讓智慧點亮天空，讓科技更有溫度。近年來，一飛在自主集群控制技術(shù)領(lǐng)域加大了研發(fā)力度，目前已攻克核心技術(shù)瓶頸，不僅希望將集群“舞臺”搬到更運的地方，更盼望，將該項技術(shù)更大范圍、更快的應(yīng)用到民生經(jīng)濟，推動智能產(chǎn)業(yè)化革新。