近年來，無人機集群技術概念的提出及發展，有效解決了單個無人機作業時載荷相對較小，信息感知處理能力相對較弱的不足。無人機集群技術的研究與應用已成為無人機技術發展的一個重要方向，無人機集群不但能通過單機間的密切協作， 有效提升載荷能力和信息處理能力，并且無人機集群具有很高的“自愈”能力和很強的魯棒性。本文主要介紹了無人機集群技術的相關概念、國內外無人機集群技術研究現狀、差異以及無人機集群發展的關鍵技術和未來無人機集群技術發展趨勢，為開展無人機集群的研究提供理論基礎。

 

       0 引言

 

       集群概念源于生物學研究。在自然界中，歐椋鳥群、鴿群、雁群、蟻群、蜂群、狼群等大量個體聚集時往往能夠形成協調一致、令人震撼的集群運動場景。法國生物學家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。

 

 

       單無人機的應用，由于受自身條件的限制，面對應用環境的日益復雜以及任務多樣，頗顯局限。在軍事應用上，單機易受自身的燃料、質量和尺寸的限制，無法形成持續有力的打擊力度；在民用上，受載荷能力、機載傳感器以及通信設備的限制，單架無人機不能很好地完成農林植保、測繪、搶險救災等任務；在警用安保上，單架無人機也會因被攻擊或自身故障導致任務失敗等。為解決單無人機應用的局限性，美國空軍科學顧問委員會提出未來無人機的應用將是以集群的方式。

 

       無人機集群是指由一定數量的同類或異類無人機組成，利用信息交互與反饋、激勵與響應，實現相互間行為協同，適應動態環境，共同完成特定任務的自主式空中智能系統。

 

       無人機集群不是多無人機間的簡單編隊，而是通過必要的控制策略使之產生集群協同效應，從而具備執行復雜多變、危險任務的能力。未來，無人機集群協同完成任務將成為無人機產業應用的重要方面。無人機集群既能最大限度地發揮無人機的優勢，提高整體的載荷能力和信息感知處理能力，又能避免單無人機執行任務時被攻擊或任務效率不高的問題。

 

       1 國內無人機集群技術研究現狀

 

       無人機已被各國廣泛用于國防建設和民用領域，隨著無人機技術的深入研究，無人機自主集群系統能夠通過緊密的協作完成各種復雜多變的任務，并且具備卓越的協調性、智能性和自主性，已成為無人機研究的一個重要方向。無人機集群作戰是指一組具備部分自主能力的無人機通過相關的輔助操作，在作戰指揮系統監控下，完成作戰任務的過程。美國國防部在《無人機系統路線圖2005-2030》中指出，到2025年，集群無人機將具備戰場認知能力，能夠實現完全自組織作戰。

 

       1.1 國外無人機集群技術研究現狀

       1.1.1 無人機集群分層控制研究現狀

 

       對無人機集群實施有效的控制是完成各種復雜集群任務的基礎。Cook W.J.等人認為，無人機集群任務規劃問題屬于復雜問題的組合優化，擬從運籌學角度，采用分層控制方法解決此類問題。Boskovic J.D.等人將無人機集群任務規劃問題分解為決策層、路徑規劃層、軌跡生成層和控制層，其中，決策層負責無人機集群系統中的任務規劃與分配、避碰和任務評估等；路徑規劃層負責將任務決策數據轉換成航路點，以引導無人機完成任務、規避障礙；軌跡生成層根據無人機姿態信息、環境感知信息生成無人機通過航路點的可飛路徑；控制層控制無人機按照生成的軌跡飛行。無人機集群任務規劃分層結構如圖2所示。

 

 

 

       Tsourdos A等從多無人機任務協同路徑規劃的方向將多機協同任務規劃分為集群任務規劃分配層、協同路徑規劃層、控制層等三個層次[13]。研究表明，分層控制能夠降低無人機集群中任務分配問題的復雜性，提高集群任務分配效率。

 

       1.1.2 無人機集群控制系統研究現狀

 

       根據集群控制系統中有無控制中心節點，分為集中式控制與分布式控制系統。集中式控制系統是由控制中心節點完成系統的任務規劃和協同工作，多機系統中的無人機只作為任務的執行者。目前，已有多種集中式任務規劃的研究方法，如多旅行商問題、車輛路由問題、網絡流模型、混合整數線性規劃等。其中網絡流模型、混合整數線性規劃多用于解決多任務時使用。

 

       分布式控制系統中沒有控制中心節點，對單機來說在系統中地位是平等的，采用自主管理、協商的方式完成任務。如歐洲信息社會技術計劃（IST）開展的異構無人機集群實時協同與控制項目（COMETS）采用的就是異構無人機集群分布式實時控制技術。

 

       1.1.3 無人機集群任務協同算法研究現狀