基于集群智能的無人機協(xié)同控制系統(tǒng)分析

許昊

摘要：隨著無人機技術(shù)的不斷發(fā)展，面對高度對抗性和動態(tài)性的戰(zhàn)場環(huán)境，無人機作戰(zhàn)模式逐漸從單平臺向多平臺“群”作戰(zhàn)方向發(fā)展。偵察探測是無人機應(yīng)用最廣泛的方法，群體智能算法的分布性和自組織特性符合實現(xiàn)無人機集群協(xié)同自主控制的要求。因此，越來越多的群體智能算法被應(yīng)用于無人機協(xié)同探測領(lǐng)域。本文總結(jié)了近年來兩種最成熟的群體智能算法在該領(lǐng)域的應(yīng)用，為相關(guān)人員做出參考。

關(guān)鍵詞：無人機集群;群體智能;協(xié)同探測

1 無人機集群發(fā)展概述

近年來，無人機集群技術(shù)在民用和軍用領(lǐng)域都引起了廣泛關(guān)注。在民用領(lǐng)域，無人機集群可用于災(zāi)害搜救、地形測繪、航空測繪、農(nóng)藥噴灑等方面。在軍事領(lǐng)域，無人機集群數(shù)量多、體積小、成本低的特點使得無人機集群作戰(zhàn)成為各國關(guān)注和研究的焦點。其應(yīng)用形式可分為：突防偵察、誘餌干擾、察戰(zhàn)一體、協(xié)同攻擊。

美國致力于建設(shè)無人集群系統(tǒng)，爭取在軍事上的領(lǐng)先地位。美國國防部將無人機自主控制等級分為10級，包括單機自主、多機自主和集群自主。2016年美國空軍發(fā)布《小型無人機系統(tǒng)飛行規(guī)劃（2016—2036）》，從戰(zhàn)略層面肯定了小型無人機系統(tǒng)的前景和價值。2018年，美國國防部發(fā)布了《無人系統(tǒng)綜合路線圖 （2017—2042）》，強調(diào)了自主性在加速無人系統(tǒng)進步中的重要作用，是一個重要的力量倍增器，將徹底改變作戰(zhàn)概念。受軍事需求，美軍空中智能集群作戰(zhàn)技術(shù)不斷取得突破。2015年4月，美國海軍公布了低成本無人機集群技術(shù)項目開展的一系列集群無人機技術(shù)驗證工作。2016年4月，蝗蟲項目完成了30架“叢林狼”無人機連續(xù)發(fā)射、群飛的試驗。30架無人機相繼發(fā)射，每架飛機發(fā)射后成功展開機翼飛行。無人機可以配備各種有效載荷，這可以使載人飛機和傳統(tǒng)武器系統(tǒng)執(zhí)行其他任務(wù)，是戰(zhàn)斗倍增器，可以降低戰(zhàn)士的風(fēng)險。為了提高城市環(huán)境下小規(guī)模作戰(zhàn)部隊的作戰(zhàn)效能，DARPA于2016年12月發(fā)布了進攻集群賦能戰(zhàn)術(shù)（OFFSET）項目，旨在開發(fā)和演示100多種與作戰(zhàn)相關(guān)的集群戰(zhàn)術(shù)，應(yīng)用于無人機和地面無人機集群。該項目將加速美軍對無人集群戰(zhàn)術(shù)關(guān)鍵使能技術(shù)的理解，構(gòu)建開放的系統(tǒng)架構(gòu)和測試平臺。

2無人系統(tǒng)智能自主控制技術(shù)的發(fā)展需求

（1）性能高，自適應(yīng)性強。未來無人機系統(tǒng)的運行環(huán)境復(fù)雜，性能要求越來越高。無人機作戰(zhàn)系統(tǒng)需要在不可預(yù)測、危險的作戰(zhàn)環(huán)境中工作，戰(zhàn)場形勢瞬息萬變。未來作戰(zhàn)戰(zhàn)略布局要求無人機作戰(zhàn)系統(tǒng)能夠適應(yīng)這些動態(tài)環(huán)境的不確定性，具有較強的自適應(yīng)作戰(zhàn)能力。無人軌道交通設(shè)備、無人運輸機、無人服務(wù)飛機等，直接關(guān)系到人類生活的安全和舒適。未來的應(yīng)用市場需要無人駕駛系統(tǒng)的人工智能特性，以滿足復(fù)雜的交通環(huán)境和不同的客戶需求。

（2）高可靠性。無論是軍用還是民用領(lǐng)域的無人機系統(tǒng)，可靠性和安全性都是非常重要的指標(biāo)。為了保證系統(tǒng)的可靠運行，不僅要提高硬件的可靠性和必要的冗余配置，還要提高軟件的完備性，還要增強無人機系統(tǒng)的自主故障診斷和容錯控制能力。

（3）多智能體組網(wǎng)和協(xié)同任務(wù)完成。利用強大的計算機信息網(wǎng)絡(luò)，將多個智能體組合成一個大系統(tǒng)或作戰(zhàn)平臺，獲取全面的偵察測量信息，快速、全面地洞察全局，進一步協(xié)同完成復(fù)雜任務(wù)，更快、更高效地實現(xiàn)連續(xù)工作，如多無人機協(xié)同的火場偵察、多導(dǎo)彈協(xié)同的高機動目標(biāo)攔截等，是解決單個智能體能力有限問題的有效途徑。多智能體組網(wǎng)系統(tǒng)完成復(fù)雜任務(wù)的策略不僅具有諸多優(yōu)勢，也給無人系統(tǒng)的控制帶來了新的挑戰(zhàn)，需要解決系統(tǒng)建模、資源管理、信息融合和綜合感知等問題。網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)是美軍在上世紀(jì)90年代提出的概念，多無人機組成的無人系統(tǒng)協(xié)同工作，可以充分利用現(xiàn)有無人機的智能化發(fā)展趨勢，實現(xiàn)單個無人機無法完成的作戰(zhàn)任務(wù)。比如多導(dǎo)彈系統(tǒng)協(xié)同攻擊可以實現(xiàn)高強度突防、全方位攻擊和以弱勝強的可能性。這種作戰(zhàn)模式既能充分發(fā)揮低成本武器裝備的規(guī)模優(yōu)勢，又能利用新的網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)框架下的信息交互，形成協(xié)同對抗、聯(lián)合突防和規(guī)模飽和打擊等。有效約束敵方高科技武器裝備的優(yōu)勢，并實施有效的戰(zhàn)術(shù)體系對抗。隨著計算機技術(shù)和無線移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，多無人協(xié)同武器系統(tǒng)將成為下一代智能武器的重要發(fā)展方向。

3協(xié)同控制體系結(jié)構(gòu)

為了保證集群任務(wù)的性能，協(xié)同控制系統(tǒng)需要具有高可靠性、快速響應(yīng)和快速重組。協(xié)作控制架構(gòu)有兩種類型：集中式架構(gòu)和分布式架構(gòu)。集中式結(jié)構(gòu)將每架無人機的狀態(tài)信息發(fā)送到控制中心（中心節(jié)點）進行統(tǒng)一處理。其中，控制中心可以是無人機、航天器、地面站等。所有無人機都向控制中心發(fā)送自己的狀態(tài)信息或感知信息。然后，控制中心通過數(shù)據(jù)處理、任務(wù)規(guī)劃、控制決策等環(huán)節(jié)，將控制信息傳遞給所有無人機，確保多架無人機能夠統(tǒng)一執(zhí)行指定任務(wù)。

在集中式結(jié)構(gòu)中，任務(wù)控制命令由控制中心發(fā)送，無人機本身只有底層控制能力。集中式體系結(jié)構(gòu)利用全局信息進行分析和決策，當(dāng)控制中心的性能和通信帶寬足夠好時，可以更好地處理復(fù)雜的控制問題。同時，這種架構(gòu)具有全局性能強的優(yōu)勢。當(dāng)控制中心出現(xiàn)問題時，所有任務(wù)將被終止。因此，集中式結(jié)構(gòu)存在計算量大差的缺點。

因此，集中式結(jié)構(gòu)適用于處理實時性要求低、全局性能要求高的任務(wù)。分布式體系結(jié)構(gòu)中沒有明確的控制中心（中心節(jié)點）。所有無人機在群系統(tǒng)中地位平等，通過協(xié)作完成任務(wù)。在分布式控制結(jié)構(gòu)下，全局控制問題被劃分為若干個子問題，由每個無人機獨立。每一架無人機都具有一定的自主控制和決策能力，可以根據(jù)拓撲網(wǎng)絡(luò)的連通性與其他無人機進行交互，從而實現(xiàn)分布式協(xié)同控制協(xié)議作用下的無人機集群系統(tǒng)的整體控制。分布式體系結(jié)構(gòu)具有實時性好、計算量小、靈活性高等優(yōu)點。但在分布式架構(gòu)下，多無人機的全局性能考慮不夠，容易導(dǎo)致全局性能弱的問題。因此，分布式架構(gòu)更適合具有高動態(tài)性和實時性的任務(wù)。

結(jié)語

綜上所述，通過分析智能無人機的發(fā)展需求和應(yīng)用前景，論證了將人工智能和智能控制技術(shù)引入無人機系統(tǒng)設(shè)計智能自主控制器的重要性?；仡櫫藝鴥?nèi)外無人機系統(tǒng)智能自主控制的研究水平和發(fā)展歷程，總結(jié)了無人機系統(tǒng)智能自主控制的關(guān)鍵技術(shù)，并展望了未來的發(fā)展趨勢。無人機系統(tǒng)智能自主控制技術(shù)正在蓬勃發(fā)展，但仍存在許多問題。

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