3.4 無人機集群移動Ad Hoc網絡技術

 

       Ad Hoc網是一種多跳的、無中心的、自組織無線網絡，又稱為多跳網（Multi-Hop Network）、自組織網（Self-Organizing Network）。網絡中沒有固定的節點，每個節點都是活動的，并且隨機地與其他節點保持聯系。每一個節點又能作為一個路由器，能發現、連接、維持其他節點路由的功能。

 

       國外無人機集群Ad Hoc網絡研究處于初級階段，國內的研究較少，目前無人機集群通信網主要是采用基站或無人機集群地面站對無人機實施控制。未來無人機集群網絡的基礎是移動Ad Hoc網絡，它能夠根據無人機集群的實際需要快速擴大和縮小，網絡結構具有高的靈活性、擴展性和抗毀性。

 

       4 無人機集群技術研究現狀

 

       隨著人工智能的發展，特別是智能化無人機技術的發展，無人機集群系統將越來越復雜但也越來越智能。在數量上，無人機集群已從簡單的多機協同發展到成百上千架無人機協同。軍事上，無人機集群系統從簡單的執行偵察任務到完成復雜情況下的察打一體任務。在集群無人機編隊情況看，無人機集群已從簡單的長機、僚機的交互協同模式，發展到根據任務發展變化自組織編隊的自主協同。在人機交互方面，無人機集群正向人機智能交互發展。

       4.1 人工智能推動仿生智能無人機集群

 

       在國發[2017]35號《新一代人工智能發展規劃》中指出開展群體智能基礎理論研究，研究群體智能結構理論與組織方法、群體智能激勵機制與涌現機理、群體智能學習理論與方法、群體智能通用計算范式與模型。2017年12月，在我國工業和信息化部發布的《促進新一代人工智能產業發展三年行動計劃（2018-2020）》中指出積極培育人工智能創新產品，促進人工智能技術的產業化，將無人機列為八大重點培育產品，并開展無人機智能飛控系統等研制。基于人工智能設計無人機集群分布式控制框架，使得系統中的無人機僅在局部感知能力下，通過集群數據鏈技術，同其他無人機組建自組織智能交互網絡，并在外界環境觸發作用下，實現復雜的行為模式，具備學習能力，在群體層面涌現出智能。

 

       通過對自然界中的螞蟻、鳥類、狼群等群居性生物研究，發現其具有高度集中協調一致的特點，表現為集群智能。目前對群集生物中的自組織性、自修復等的群體智能研究還在理論研究階段，未來將生物的群集智能特性應用于無人機集群控制當中，將會使集群無人機具備仿生智能。

 

       4.2 有人機與無人機共融集群

 

       由于現階段無人機的感知系統、運算處理系統、決策系統智能化程度不高，不能在復雜的環境下自主完成各種任務。因此，采用有人機與無人機組成共融無人機集群完成任務，既能很好發揮有人機運算能力和人的決策處理突發事件能力，又能充分發揮無人機機動性強，隱身性好的優勢，共融無人機集群將成為無人機集群的發展趨勢。2016年，美國空軍發布《小型無人機系統飛行規劃2016-2036》，其強調了有人機與無人機的集群共融作戰，并針對“忠誠僚機”集群作戰進行了說明，就是發展有人機與無人機集群編隊作戰。在《新一代人工智能發展規劃》中也多次提到“人機協同”，并把人機共融協同作為發展新一代人工智能關鍵共性技術體系的重點任務之一。中國工程院院士王天然提出“下一代機器人將實現人機共融”。由此可見，未來無人機集群的發展方向之一將是有人機與無人機的共融集群。

 

       4.3 5G網聯無人機集群

 

       據無人機行業有關預測，未來5年全球無人機市場的價值空間在705億美元，涵蓋世界各國和各個運用領域。但是無人機產業的發展存在空域、數據鏈等痛點，無人機飛行的空域可以通過政府出臺相關政策予以解決。無人機產業數據鏈痛點同樣也是無人機集群發展的壁壘。隨著5G技術的發展與成熟，未來5G網聯無人機能夠利用5G網絡地面、低空立體覆蓋、傳輸速度快，數據低延遲等優點解決數據鏈痛點，能夠實時監測任何一架無人機的運行狀況。5G網聯無人機集群勢必使無人機集群的編隊與編隊重構、任務協同、異構無人機的協同、人機協同等無人機集群的優點發揮到極致。5G網聯無人機將助推無人機集群技術的發展。

 

       4.4 基于視覺的無人機集群

 

       自然界中的生物感知外界物體的大小、形狀、明暗、顏色、空間位置、距離等重要信息，80%以上的信息是通過視覺功能獲取的。基于深度學習技術的視覺感知在機器人、無人機等智能體上的應用已非常廣泛且日趨成熟，特別是基于視覺的導航與避障技術的研究，實現了無人機在沒有GPS或GPS信號弱的情況下實現導航和避障。隨著單無人機通過視覺控制技術的成熟，使無人機集群能夠利用立體視覺技術進行信息獲取與交互、集群任務協同、集群編隊與隊形變換，完成復雜條件下目標識別判斷與精準任務成為可能。

 

       4.5 未來無人機集群應用

 

       隨著無人機技術的發展與產業化應用以及軍民融合戰略，未來我國無人機集群的應用將更加廣泛。

 

       在農業植保上，無人機噴灑農藥是人工噴灑效率的30倍，并且具有安全、防治效果好、成本低，并且不受地理環境限制等優勢。我國有將近20億畝耕地，現階段95%以上耕地的植保還是人工加手動、電動機械噴霧機的方式進行植保作業。據有關預測顯示，假如有20%的耕地采用無人機集群進行植保，需求量在20萬架，其市場規模在100億以上。隨著無人機自主化水平的提高，以及植保無人機飛行算法的優化、服務質量的提高，未來在植保領域，無人機集群應用市場將大有可為。

 

       在航空測繪方面，采用無人機集群進行測繪作業能從多角度同時完成測繪，加上智能算法，就可以清晰地得到被測繪區域的三維圖像，并生成相應的三維模型，比采用單機測繪作業的效果更好。與傳統衛星測繪相比較，測繪的分辨率更高，加之無人機操作靈活，不受場地限制，測繪作業的局限性更小、通用性更強，可以完成全天候測繪任務。

 

       在警用反恐、執法等領域，警用集群無人機將成為公安機關的必備工具。如在處理突發事件時，使用警用無人機集群可快速收集突發事件現場數據，并將現場的視頻、音頻信息傳送到警察指揮中心，同時能夠跟蹤事件的發展態勢，利用深度學習算法進行判斷、決策、處置。

 

       在搶險救災方面，尤其在危化品救援現場，滅火救援消防人員不能靠的太近，消防無人機集群攜帶針對性專用滅火劑可代替人進行危化品的滅火救援；攜帶環境感知器對火源火勢、周邊環境易燃易爆物等進行分析，還可攜帶通信裝備在任務區作為通信中繼，實時回傳災情數據。