看集群技术如何改变无人机（中）

陈晓晨

无人机集群，指借鉴自然界的自组织机制，使具备有限自主能力的多架无人机在没有集中指挥控制的情况下，通过相互间信息通信产生整体效应，实现较高程度的自主协作，从而能在尽量少的人员干预下完成预期的任务目标。本期主要介绍国外对集群无人机技术的研究成果。结合上期内容读者也许会发现，目前国内外对该领域的研究都集中在理论研究及技术验证方面。

四、国外集群

军用无人机相关项目

国外集群军用无人机技术的研究以美国为主，推行项目制。目前美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，简称DARPA）、美国海军研究局及众多实验室等机构已经投入了不少资源，且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。总体来说，国外在无人机集群方面的研究相比国内做得更为深入，其相关项目如下。

1.“灰山鹑”（Perdix）项目

2011年，麻省理工学院主导研制了“灰山鹑”无人机。该无人机采用凯芙拉合成纤维和碳纤维材料，通过3D打印而成。其中机翼由碳纤维制成，机身使用低阻力玻璃凯芙拉纤维，动力源是锂电池。

2012年，美国国防部战略能力办公室成立后，采纳了该型无人机，为其配套开发了由战机进行空中投放的技术，并于2014年开始进行试验。2015年6月，在“北方利刃”军演中，该型无人机共进行了150次试验，其中有72次是由F-16战斗机通过曳光弹投放器做的投放试验。投放后，无人机会先同载具分离；然后依次展开降落伞、机翼，进入减速下降阶段；随后降落伞脱离、机载发动机启动，无人机转为自主调整飞行阶段。“灰山鹑”可在40米/秒的速度下正常打开机翼，并在30米/秒的风速环境中保持飞行姿态稳定。在整个飞行过程中，它一直具备数据通信能力。

2016年10月，美军在加州“中国湖靶场”上空进行了无人机抛撒试验：先由3架海军F/A-18F战斗机释放103架“灰山鹑”，然后无人机在脱离发射舱后的短时间内相互发现队友并组成集群队形。该试验标志着美军的集群自组网技术达到了实用性阶段。“灰山鹑”微型无人机还可由地面发射装置发射，或通过地面人员投掷发射。未来，“灰山鹑”项目也许会考虑采用大量、不可回收的部署方式。

2.“蝗虫”（LOCUST）项目

2015年4月16日，美国海军研究办公室公布了LOCUST项目中涉及的一系列无人机集群技术验证工作。LOCUST全称是Low-cost UAV Swarming Technology，即低成本无人机集群技术。项目聚焦于研究通过发射管将大量可进行数据共享、自主协同的无人机快速、连续发射至空中的技术。这类发射装置及无人机必须体积较小，方便整合到舰船、装甲车辆、飞机等平台上。而无人机在发射后组成“蜂群”，不仅能按设定目的做集群飞行、协同配合，而且可执行对敌侦察、打击等任务。从作战使用角度来看，LOCUST集群无人机具有明显优势。

在已公布的验证工作里，LOCUST项目用的是雷神公司生产、可通过发射管直接起飞的“郊狼”无人机。它采用可折叠的机翼和螺旋桨，在离开发射管之后能迅速展开并进入飞行模式。这种无人机的续航时间在1小时左右，飞行速度90 英里/小时（约合144.8千米/小时），最大起飞重量不超过 13 磅（约合5.9千克）。项目还开发了一套多管发射装置，支持无人机在陆地或舰船上的连续发射。与造价昂贵的有人战机、导弹等高精尖武器相比，LOCUST集群无人机在拥有信息化系统各要素支持的同时，造价远远低于前者。

2015年3月，美国海军研究办公室在多个地点完成了演示验证工作，包括发射携带有不同任务载荷的“郊狼”无人机，以及9架无人机完全自主同步和编队飞行。2016年4月，又完成了30架无人机连續发射和编组飞行试验。

3.“小精灵”（Gremlins）项目

2015年9月，美国国防高级研究计划局发布了“小精灵”项目公告，提出研制通过载机在防区外发射携带了侦察或电子战设备、具备组网与协同能力的无人机蜂群，用于离岸侦察与电子攻击，并在任务完成后对幸存无人机进行回收。

在项目策划阶段，美国国防高级研究计划局描述了一种体系作战概念，即利用包含运输机、轰炸机、战斗机甚至无人机在内的无人机载机，在防区外发射小型无人机集群。该项目要求对小型无人机集群空中发射和由C-130战术运输机在空中回收开展验证，且小型无人机在空中回收后得返回基地，并能在维护后投入全新任务。

2016年3月，“小精灵”项目第一阶段合同共授予4家公司，分别是诺思罗普·格鲁曼公司的全资子公司缩比复合材料、Dynetics公司、通用原子航空系统公司和洛克希德·马丁空间系统公司，旨在发展以集群方式饱和攻击敌防空系统的廉价小型无人机技术解决方案。“小精灵”无人机的性能指标为：作战半径556 - 926千米、可持续作战时间1 - 3小时、飞行马赫数0.7 - 0.8+、任务载荷27.25 - 54.5千克、单价造价70 - 100万美元。这种小尺寸、可复用、有限寿命、低成本的概念无人机，未来可为很多在研产品提供载体，共同支撑分布式协同空中作战。

目前，Dynetics公司和通用原子航空系统公司已经获得“小精灵”项目为期1年的第二阶段合同，完成了全尺寸技术验证系统的初步设计，发展根据上述性能指标定制的喷气动力低成本无人机。美国国防高级研究计划局将在2018年年初选择其中一家承包商进入为期1年半的项目第三阶段，制造验证系统并于2019年开展实际飞行试验。

五、国外集群

民用无人机相关团队

1.匈牙利罗兰大学Tamás Vicsek团队

2014年，Nature杂志报道了匈牙利罗兰大学Tamás Vicsek团队的科研成果——10架四旋翼飞行器在室外环境下的自主集群飞行。该项目的最大特点是其任务决策层利用了生物集群行为的机制，实现了类似鸟群的自主飞行。

在试验中，10架四旋翼飞行器通过与邻近个体进行信息交互，实现了自主决策飞行，全过程不存在中心控制点。该项目基于自驱动粒子的运动机制，让四旋翼飞行器集群在GPS噪声、通信延迟等故障环境下尝试稳定飞行，解决了有界区域内的碰撞规避和聚集、集群目标跟踪以及队形的稳定保持（网格、旋转环和直线）问题。

2.美国海军研究生院Timothy Chung团队

2015年，美国海军研究生院Timothy Chung团队成功完成了50架固定翼无人机集群飞行试验。此前，他们刚刚完成了1人操控30架固定翼无人机的试验。

试验进行时，无人机通过Timothy Chung团队研制的链传动弹射器，每30秒发射1架。无人机依次升空后，会依照主从模式飞行，并利用无线自组织网络进行信息交互和共享。与以往每架飞行器需要一个操纵员不同，依靠集群地面控制站，1名操纵员就能同时控制50架无人机。在这个项目里，核心是实现了无人机操控权的转移，即将控制权逐渐转移至飞行器，让它自主做飞行和决策，大大减轻了操控人员的压力。

3.美国英特尔（Intel）公司

在2016年年初的国际消费类电子产品展览会（CES）上，英特尔公司完成了一项吉尼斯世界纪录挑战：100架四轴飞行器同步编队飞行，完成灯光秀。2016年11月5日，该公司再挑战高难度，打造了一场名为“流星”的灯光秀。在这场表演里，500架无人机由10人团队负责放飞，仅有1人控制500架无人机变换灯光。

英特尔公司自主研发的算法，能够自动处理动画制作流程，并规划出创建空中图案的最快路径。操纵员只需输入1张图片，就能得出所需无人机数量，以及每架的停放位置。而在此之前，每次编队飞行，都需要动画师长时间地手动完成计算。无人机自带的灯光秀软件，还会在每次飞行前做完整的机队检查，并基于电池续航时间、GPS接收信号能力等因素，为每次飞行秀挑选最合适的无人机。

4.法国派诺特（Parrot）公司

虽然派诺特公司在消费级无人机领域的市场份额一直不及大疆，但其产品和技术颇具特色。在最近的年度展会上，派诺特室内无人机编队舞蹈屡屡成为热点。不过其多旋翼无人机集群规模不大，且只在室内飞行。

5.新加坡SwarmX公司

SwarmX公司是新加坡的一家无人机初创公司，以其HiveMind无人机操作系统切入集群技术市场。HiveMind操作系统允许用户通过平板电脑、台式机或指挥中心管理无人机集群，同时提供数据存储和成果可视化服务。使用SwarmX公司“基于目标的集群管理”的机器学习算法时，集群指挥官只要发出需监视区域的范围，软件就可迅速推算集群无人机中成员的有效部署方法。

6.美国亚马逊公司

亚马逊公司准备用小型无人机构建无人机集群，组成1个“巨型运输机”，以完善自身的无人机物流方案。这个“巨型运输机”在运行时具有非常高的灵活性，可应对不同需求而形成不同的排列组合。从专利图中可以看到，亚马逊力图打造的无人机集群至少能组成方形、菱形、锥形甚至多种不规则形状的矩阵，用于运送不同形状、尺寸、重量的货物。

7.荷蘭代尔夫特理工大学

代尔夫特理工大学的微型飞行器实验室正在开发具备集群技术的“口袋无人机”，每个无人机仅有手掌大小。它们能够飞入室内，在建筑物遭到严重破坏的情况下帮助救援人员搜寻幸存者。

8.美国哈佛大学威斯康星研究所

哈佛大学威斯康星研究所正在开展一个名为RoboBee的集群无人机项目，成员是起飞重量小于10克的纸夹型无人机。它们将被用于天气监测、农田监视、作物授粉等领域。威斯康星研究所的研究人员认为，未来小型无人机可能会像昆虫一样，成为我们生活环境的一部分。（未完待续）