看集群技术如何改变无人机

2017年12月7日晚，广州。在 《祝酒歌》合唱声中，1 180架无人机编队从海心沙起飞，亮灯组成“财富”两字，引得现场市民齐齐仰头观看。随后无人机编队多次变换阵型，利用“科技舞蹈”给大家带来惊喜。其中一段无人机模拟降雪的现场视频，被网友争相转发。

多架无人机编队的飞行表演，在国内并非首次。就在2017年2月11日，1 000架无人机编队曾在同一地点以夜空为幕，描画了金鸡报晓、喜迎新年、福从天降、祖国河山等有美好寓意的光影作品。虽然不少人认为，从技术细节来看，这样的表演只能算作无人机编队，而非真正的集群飞行。但从最近一段时间无人机的相关报道来看，美国和中国一直在做集群飞行的研究。集群技术不仅与编队飞行存在一定的联系，还将成为未来军用作战的一种模式。

一、集群行为的由来和概念

集群是生物的一种集体行为。向南迁徙的大雁、分工协作的蜜蜂、海中觅食的鱼群，都是典型的集群行为（图1、图2）。从外观上看，集群就是一群生物个体聚集在一起，兜圈或朝特定方向行动。

从数学模型的角度来看，集群是一种突变行为。在集群行为中，生物个体遵循简单的运动和逻辑规则，不需要任何中央协调，就能自然而然地呈现群体特征。最简单的集群数学模型遵守如下3个原则：

1.个体沿着邻居相同的方向移动；

2.个体保持靠近邻居；

3.个体避免与邻居碰撞。

下面以鱼类集群为例，分析一下生物集群的简化模式。图3是鱼群的度量距离模型，每条鱼都按这样的模式游动：排斥近距离范围的其他个体；跟随中等距离的其他个体；吸引较远距离的其他个体。图4是鱼群的拓扑距离模型：每条鱼只关注距自己最近的6 - 7条鱼，而不关注其他距离较远的个体。

二、集群无人机的

发展现状及趋势

无人机起源于军事领域，经过几十年，目前已经进入了快速发展期。随着种类越来越多，无人机的应用领域不断拓展，能执行的任务类型也越来越广泛。与有人机相比，无人机可有效避免人员伤亡，不仅具有持续工作能力强、全寿命周期成本低等优点，而且在尺寸、速度、机动性等方面有独特的优势。在军事领域，无人机可以执行监视、侦察、干扰、打击等任务（图5）；在民用方面，可用于农业植保、森林防火、电力（管道）巡检、地质勘探、航拍测绘、气象探测等领域。由于单架无人机所能携带的任务载荷相对单一，执行任务能力有限，而通过多架无人机的能力互补和行动协调，可实现整个系统效能的提升，因此其应用正逐步从单平台向多平台集群方向发展（图6）。

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。

自主集群飞行技术具有下列3个重要特点：

1.无中心化：没有一个个体处于中心控制主导飞行的地位。一旦有任何一个个体消失或丧失功能，整个群体依然有序地飞行。

2.自主化：飞行期间无人为操控，所有个体只控制自身飞行、观察临近个体位置，但不对任何其他个体产生主观影响作用。

3.自治化：所有个体自然形成一个稳定的集群结构，一旦有任何一个个体因丧失功能脱离群体或因任何原因改变群体结构位置，新的集群结构排列会快速自动形成并保持稳定。

因此，开篇中提到的1 180架无人机飞行表演，只能算编队飞行，相比集群飞行还有一定差距。

总的来说，集群属于无中心组织控制的行为，而编队飞行则是有中心组织控制的。虽然无人机集群中个体数量的多少是一个影响因素，但真正的难度在于无人机自主性的高低，以及个体数量增多以后带来的集群协同性问题。

随着自主技术的深化应用，无人机集群系统已成为无人机的一个重要发展方向。通过紧密协作，无人机集群系统可以体现出比有中心组织控制系统更卓越的协调性、智能性和自主性。美国国防部曾发布过一份《无人机系统路线图2005 - 2030》，将无人机自主控制等级分为1 - 10级，并指出“全自主集群”是无人机自主控制的最高等级。在路线图的最后，美国国防部大胆预测，2025年后无人机将具备全自主集群能力。

目前国内外对集群无人机的研究主要集中在理论研究及技术验证方面，内容包括任务分配、路径规划、协同控制搜索、集群算法等。

三、国内集群无人机

发展现状

国内对集群无人机的理论研究主要集中在大专院校和科研院所。目前，中国科学院、清华大学、西北工业大学、空军工程大学、国防科学技术大学、南京航空航天大学、华中科技大学等已经开展了这方面的研究。另一方面，航空工业、航天11院、中国电子科技集团等国内企事业单位正致力于集群无人机的工程技术验证，且取得了骄人的成绩。而北京泊松技术有限公司、广州亿航智能技术有限公司、零度智控智能科技有限公司等私营企业，也在进行相关试验。

1.航天11院

航天11院的“五站四机”协同飞行试验，是国内无人机集群试验最高水平的一个范例。该试验用的是大型察打一体无人机“彩虹”4（图7），不仅多机间可以相互感知、相互协作，而且通过机载卫星通信系统，地面控制站可实现超视距测控。

“五站四机”任务飞行完成了超视距飞行、卫通视距接力、多路卫通同传、多机态势监视及协同飞行等多个科目。任务的圆满完成，标志着“彩虹”系列无人机开始迈向新的应用方向，即“有人机-无人机协同作战”。实现多区域侦察/监视/打击及控制的作战演练，开启了高密度、大规模集群作战的新途径，为“有人-无人联合”任务奠定了基础。未来，“彩虹”系列无人机还可向无人机集群协同方向发展。

2.中国电子科技集团

2017年6月，中国电子科技集团公司联合清华大学、北京泊松技术有限公司测试了119架固定翼无人机编队飞行。在试验中，119架小型固定翼无人机成功演示了密集弹射起飞、空中集结、多目标分组、编队合围、集群行动等科目。

3.北京泊松技术有限公司

北京泊松技术是一家做无人机控制的初创技术公司，集群控制是其研究的一个重要方面。该公司的研究包括规模集群的控制算法、自主智能控制算法、动态无中心自组网技术、群体环境感知与碰撞规避、动态任务分配等。

2016年11月，该公司在珠海航展上展示了67架规模固定翼无人机集群（图8），用来验证无人机集群的控制技术、路径重规划算法、任务分配算法、感知避撞算法和基于Ad Hoc协议的自组网通信系统。不过现在他们也在谋求将该技术用于民用领域，如固定翼无人机编队飞行表演、面向游乐园的灯光秀，以及协同作业无人机对地观测、无人机物流快递等。

4.广州亿航智能技术有限公司

2016年6月16日，为迎接京东618全民购物狂欢节，亿航在北京上演了一场无人机编队表演。当时，30架多旋翼无人机组成的集群先按照预先设定的路线，根据定位坐标飞至夜空并组成“618”造型，然后按照预先设定的顺序依次点亮机载LED灯，成为夜空中流动的霓虹灯。此后，亿航智能科技有限公司在无人机编队表演上投入了更大心力，为大众呈现了好几幕经典的飞行表演。

2017年2月11日，在广州市中心海心沙广场，1 000架亿航无人机编队，为市民呈现了一场名为“天幕流星·千机变”的科技汇演盛宴，以科技与艺术结合的创新方式喜庆元宵。2017年12月7日，依然在广州，1 180架亿航无人机编队从海心沙起飛，在广州地标性建筑——“小蛮腰”旁亮灯表演，给观众带来了诸多惊喜。

5.零度智控智能科技有限公司

零度智控2017年新品——掌上自拍机Dobby，集成了与Parrot类似的跳舞功能（图9）。该无人机可利用向下的摄像头，识别地面二维码进行空间定位，并执行预先设定好的舞蹈动作。

这并非零度智控首次触电无人机编队飞行。早在2016年5月1日，零度智控（北京）的8台自主创新Pioneer无人机就在中央电视台“五一”国际劳动节特别节目上实现了室内无人值守的机群编队飞行表演。（未完待续）