无人机集群技术的民用发展

唐毅 司维钊 王怀超

摘 要 本文分析的无人机集群技术的发展及其在行业的应用，对无人机的关键技术进行了展望，在不远的未来，无人机集群技术不仅将对军事领域造成巨大影响，也将不断推动无人机产业的不断发展。

关键词 无人机集群 行业应用 无人机关键技术

中图分类号：V279 文献标识码：A

2016年8月，在中国计算机学会主办的CCF-GAIR峰会上，宾夕法尼亚大学工程学院院长、IEEE、ASME Fellow，美国国家工程院院士Vijay Kuma教授提出来他的5S趋势理论：Small（小型），Safe（安全），Smart（智能），Speed（敏捷）和Swarm（集群），与一直被广泛研究的前四个S不同，Swarm集群技术目前还主要在学术界和国防领域受到关注。集群智能（Swarm Intelligence）作为一种Game-Changing的颠覆性技术，一直被中美等国军队视为无人化作战的突破口。

无人机作战系统是由无人机作战平台、任务载荷、指挥控制系统以及空一天一地信息网络组成的综合化作战系统，是信息化战争中夺取信息优势、实施精确打击、完成特殊作战任务的重要手段之一。而集群智能（SwarmIntelligence）作为一种“Game-Changing”的颠覆性技术，一直被中美等军事强国作为军用人工智能的核心。

无人机集群不仅在军事方面前途广泛，在分解重大任务方面“化整为零”的特点和相互协作最终达到的倍增效益，同样适用于民用领域，尤其是无人机行业应用领域。现在无人机集群技术已经在下列民用领域崭露头角。

1快递物流

互联网热潮带来的电子商务发展的繁荣驱动着无人系统技术的发展，Amazon的Kiva仓储搬运机器人（AGV）和快递无人机也引起业内注意，京东也完成了他的首次快递无人机试飞。

未来无人机技术广泛运营之后必然带来复杂的管理问题，在实际运用场景中，面对百万订单量的并发，调配算法能够支持多少机器人和无人机实现相互避让，不同机器人和无人机之间是否能够协作流畅，都需要集群技术的支撑。

说起物流无人机，就不得不提一直致力于提升物流效率的亚马逊，大家对它的Kiva仓储搬运机器人一定不陌生。近日，外媒在专利查询网站上又发现了亚马逊的一个新无人机专利——集群无人机。亚马逊准备用一群小无人机做一个无人机集群，组成一个巨型的运输无人机，来完善亚马逊自身的无人机物流方案。亚马逊此举证明其充分意识到，当成百上千万的订单里齐发，单体无人机已经无法有效承载物流任务，因为多架无人机同时运营之时，如何彼此实现避让，能否相互协作流畅，都需要借助于集群技术。一旦集群技术应用于物流无人机，载荷与续航都将不再是难题。

2农业

随着农业无人机应用的广泛开展，业界的目光已经从单纯的无人机农药喷洒逐渐扩展到无人机农业信息采集、农业光谱数据分析等领域，为了弥补单机作业的缺陷，无人机集群技术也开始得到农业领域的关注。

SAGA项目，也就是农业应用的机器人集群（Swarm Robotics for Agricultural Applications），将帮助农民绘制农田中的杂草地图，从而提高作物產量。该系统是一个由ECHORD ++资助的研究项目，由一组多架无人机互相配合，协同监测一块农田区域，并通过机载机器视觉设备，精确找到作物中的杂草并绘制杂草地图。

无人机集群中的无人机互相交互信息，充分利用各自获取的信息，优先在杂草最密集的区域作业，算法类似自然界中蜜蜂群尽可能在花朵最密集的区域采蜜，这种路径优化技术有助于提高作业效率。

3应急救援

当自然灾害发生时，首要的任务就是建立临时通信网、查看灾情，然后再出动直升机运输物资和人员，除了昂贵的卫星通信手段，无人机集群是解决救灾通信问题的最佳选择。

洛桑联邦理工学院的智能系统实验室曾经在其微型蜂群飞行器网络项目中，开发一套可以在灾区快速搭建通信网络的微型飞行机器人群。这种机器人可以克服地形困扰，快速地布置到灾区，以自身为节点，在最短的时间内恢复灾区的通信网络。无人机集群成本低、可消耗、部署简便、使用灵活，为应急救援的通信保障提供了一种灵活的解决方案。

4遥感与对地观测

与消费类无人机的航拍需求类似，在行业应用中，遥感与对地观测及地理信息采集的需求一直广受关注，无人机对几乎所有存在地理信息需求的行业都有着成本、技术和便利性方面的优势。在单无人机作业的情况下，大范围的对地观测往往需要消耗很长时间，而引入无人机集群技术，则可以解决时间与效率难题。

本质上，集群技术使少量的人员能够控制大量无人机进行并行作业，对地观测这种天然可并行的任务类型的作业效率与无人机数量线性正相关，因此极具吸引力。集群算法可以设定一个优化函数来协调各个无人机的任务路径，尤其对于存在诸多不确定性的地面目标跟踪之类的时变任务，集群技术可以发挥极大的优势。

5无人机灯光、烟花秀

无人机厂家、艺术家、游乐园运营商和传统的灯光秀团队都对无人机集群演出的前景表现出极大的兴趣。迪斯尼公司申请了很多与无人机有关的专利，它将那些无人机称作“Flixels”。它在专利文件中写道，这些无人机可以按照预先设定好的路线飞行，并且按照设定好的程序发出LED光，从而在天空上“绘制”出不同的图案。以无人机集群为核心的灯光秀可比传统烟花更加经济、高效和安全。2018韩国平昌冬奥会上，INTEL为观众奉上了一场精彩的无人机表演。

6管道巡检

管道巡检方面，据2016中国石油企业协会发布《2016中国油气产业发展分析与展望报告蓝皮书》，2015年我国建成原油管道2.07km，成品油管道2.11km，新增天然气管道2700km。石油天然气管道由于输送距离长，所处地理环境复杂，有些地方可能发生地质灾害，需要环境监测、故障预防、事故预防等常规巡检，以及发生故障或事故后的应急监测。

采用无人机对石油天然气管道进行日常巡检，以及去特定区域进行详细巡检就显得十分有必要。目前多采用单个无人机进行巡查，但是单个无人机载荷能力有限，限制了搭载的设备，在巡航距离和监测内容方面受到限制。如果要完成一项复杂的任务，必须多次出动，或者频繁更换不同设备。

而采用无人机组，通过无人机编队飞行的方式进行管道巡检就是一个有效解决方法。因为无人机组可以携带不同装备，通过相互协作完成单个无人机不能完成的任务，如高精度定位、多角度成像及通信中继等。据悉，单个无人机只能对目标进行二维测量或成像，而无人机组通过编队排列，可测量得到三维信息。

此外，编队作业的无人机组可以分散搭载设备，将一个复杂的任务拆分为多个简单任务，分配给编队中的不同无人机，从而协同作业，一次性完成单机必须分多次完成的作业，更加有效率。

作为一个发展速度快、迭代周期短的领域，无人机集群技术的发展一直是业内讨论的焦点，其决定着无人机集群未来发展趋势，未来可能的关键技术主要有以下几种。

（1）无人机集群通信技术。

集群环境对通信链路的要求十分严苛，既要满足地面站与无人机、无人机与无人机、无人机编队与无人机编队之间必须存在一定冗余的信息交互，同时应减少通信的延迟，保证信息交互的实时性。作业过程中，无人机存在完成作业、开始作业等多个状态，其动态加入和退出也使得通信链路必须满足在正常通信需求的条件下，支持无人机数量的变化，完成集群的重构，而且在无人机与地面站失去联系时，无人机群应具有通信链路的自组织能力。其次，在某些关键操作上，通信链路还必须保证地面操作员能够对无人机任务进行授权和确认。

（2）无人机集群任务规划技术。

为了实现多无人飞行器之间有效的任务协同，同时保证控制结构不依赖于无人飞行器的数量，构建多无人飞行器协同任务自组织系统分布式体系结构，各无人飞行器的基本行为和简单任务由无人飞行器自己自主完成，当面临复杂任务和需要协作的任务时，当前无人飞行器可以把任务信息和资源需求发布到由各无人飞行器组成的网络上，各无人飞行器可以根据自身当前任务和资源情况予以响应。这样，任意一个无人飞行器的退出或加入，都不会对系统组织结构带来影响。

（3）路径规划技术。

无人机在实际飞行中如果存在突发状况，必须进行航迹重新规划，以以规避威胁。为满足协同工作时的时效性，重新规划所采用的算法必须具有实时、高效的特点。因此，可以根据蜂群算法领域搜索的特点，以参考航迹的突发威胁作为领蜂航迹，跟随蜂仅在参考航迹的突发威胁段进行领域搜索，而不需要对整条航迹进行搜索，由此可以快速获得修正航迹段，并替换原突发威胁航迹段，整个飞行过程中，无人机根据获得的威胁信息，不断修正参考航迹，直至达到目标节点。

（4）编队控制技术。

在数学上，保持一定空间距离的无人机集群可以看作一个高阶群系统时变编队问题，其控制问题很有挑战性，且通讯时延的存在又为编队分析增加了难度。应用过程中，大规模的无人集群必须迅速并准确地分布于各个作业区域，进行有效的编队。大规模无人机集群，从其特征上看，是一类非线性复杂系统，具有群体智能涌现固有的复杂性和随机性的特性，其控制方法跟传统方法有很大的区别。集群系统可以视为大量弱耦合子系统的集成，每个个体均具有一定的自主能力，但其能力具有局限性，而且集群中每个个体必须相互配合与协调才能完成复杂任务，因而，集群无人机具有分布式控制的本质特征。单一方法控制無人机集群往往不够理想，可以采用一些外部干预，并进行控制规则深度化和广度化对集群效果进行量化研究，使得不同作业的无人机集群能够进行精准的单机或多机协同，达到所预期的要求。

可与预见，在不远的未来，随着无人机集群技术的不断发展和应用，不仅将对军事领域造成巨大影响，也将推动无人机产业在民用市场持续爆发，再掀产业发展的高潮。