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前沿:无人机自主集群技术研究展望

时间:2019-10-21 13:32来源:无人机网 作者:中国通航
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从明朝万户飞天,到达·芬奇扑翼机草图,再到莱特兄弟“飞行者1号”,人类的飞天梦经过一代代人的大胆设想与不懈努力已最终实现。随着数字时代的到来,无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)应运而生,它打破了曾经仅有少数人可以征服天空的固有格局。无人机,作为一种“机上无人,系统有人”的无人驾驶飞行器,在执行枯燥、恶劣和危险(the dull, the dirty and the dangerous,3D)任务时,相比有人机具有更大的优势。

 

无人机的发展历史可以追溯到1914年,一项名为“AT计划”的军事绝密实验在英国悄然展开,该项计划的前期实验虽未取得成功,却掀起了航空发展史上的无人机热潮。3年后,美国成功使用自动陀螺稳定器改装Curtis N-9型教练机实现对其的无线电控制,第一架无人机就此诞生。1985年,中国第一架无人机——北京5号,历经坎坷终于问世。中国无人机发展虽然起步较晚,但发展迅速,如今中国生产的各型无人机,如被称为中国版“收割鹰”无人机的“彩虹四号”、“翼龙II”中空长航时察打一体无人机、大疆公司推出的定位于专业级航拍的精灵(Phantom)系列无人机,在国际市场得到广泛认可,销量不断增加。
 
富于幻想的人类从未停止探索的脚步,今天他们又开始脑洞大开,希望无人机群可以像鸟群一样群集飞行,即开发并实现类似自然界中生物群体系统一样的无人机自主集群系统。法国动物学家Grassé基于白蚁筑巢行为,提出了共识自主性(stigmergy)概念:一种个体间间接协调的机制,即无需任何集中规划以及直接通信完成复杂智能活动。这是自主集群概念开始走入人类视野并逐步发展的开端。从生物延展到无人机,自主集群的概念亦在不断演化与丰富。
 
无人机自主集群是大量自驱动系统的集体运动,集群内的无人机间通过信息的传输与合作突现出智能,具备一定程度的共识自主性。具体来说,无人机自主集群飞行,就是大量具有自主能力的无人机按照一定结构形式进行三维空间排列,且在飞行过程中可保持稳定队形,并能根据外部情况和任务需求进行队形动态调整,以体现整个机群的协调一致性。无人机自主集群的内涵在“数”“价”“质”“变”4个方面有别于传统的多架无人机协同:“数”是指二者数量规模不在一个量级,集群一般指几十架甚至上百架无人机;“价”是指二者平台造价不在一个水平,组成集群的单无人机平台价格低廉,可大量装备,使用时即使有损失,也不会过于惨重,故可大胆使用;“质”是指二者技术水平差距大,二者在智能传感、环境感知、分析判断、网络通信、自主决策等方面均不在一个层次,无人机自主集群是有很强的智能涌现的共识自主性;“变”是指二者适变和应变能力差距大,无人机自主集群可针对威胁等突发状况进行复杂协作、动态调整以及自愈组合。
 
无人机自主集群

无人机自主性
 
日益复杂的任务与环境决定了无人机系统必须具备很高的自主性。无人机的自动控制与自主控制的主要区别在于:自动控制是系统按照指令控制执行任务,而系统本身并没有决策与协调的能力;而自主控制则需要无人机自身在必要的时刻做出决策。因此,无人机自主控制应该使无人机具有自治的能力,必须能够在不确定对象和环境条件下,在无人参与的情况下,持续完成必要的控制功能。自主性、机载信息获取、传输及其应用能力将是未来无人机在动态战场环境下完成复杂任务的关键。
 
美国致力于打造无人机自主集群系统,力保军事技术全球领先。美国国防高级研究计划局(DefenseAdvancedResearch Projects Agency,DARPA)、海军研究局等机构,在无人机集群高风险/高回报的概念验证研究方面成果显著。2005年8月,美国国防部发布的《无人机系统路线图2005—2030》(图1)将无人机自主控制等级分为1~10级,包括单机自主(遥引导、实时故障诊断、故障自修复和环境自适应、机载航路重规划)、多机自主(多机协调、多机战术重规划、多机战术目标)、集群自主(分布式控制、群组战略目标、全自主集群)3个层面,并指出“全自主集群”是无人机自主控制的最高等级,预计2025年后无人机将具备全自主集群能力。
 
2016年5月,美国空军发布了《小型无人机系统飞行规划2016—2036》(图2),从战略层面肯定了小型无人机系统的前景和价值。规划对“蜂群”、“编组”、“忠诚僚机”三种集群作战概念进行了阐述,其中“编组”是人对人,“忠诚僚机”是人对机,“蜂群”是机对机,从侧面印证了无人机集群发展的重要性。2018年8月,美国国防部发布了《无人系统综合路线图2017—2042》,在新版路线图中再次强调了自主性对于加速无人系统领域进步的重要作用,即自主性技术的发展可极大提高人和无人系统的效率和效能,是重要的力量倍增器,将彻底改变作战概念。
 

前沿:无人机自主集群技术研究展望

图 1 无人机系统路线图(2005—2030)

前沿:无人机自主集群技术研究展望

图 2 小型无人机系统飞行规划(2016—2036)
 
关于无人机自主性评价的方法除《无人机系统路线图2005—2030》中采用的等级法外,还有双坐标轴法、三坐标轴法、查表法、公式法等。评定无人机的自主等级,实际上是评估无人机在完成特定任务过程中所呈现的自主能力。因此,可以将无人机的关键技术作为其自主性的评价项目,构建图3所示的蛛网模型:从原点往外辐射出代表评价项目或关键技术的若干条轴,每个项目都有若干个表征技术成熟程度的等级,对于每一个无人机系统,将其在每条轴上对应的等级依次连接起来,即可用类似蛛网的纬线评价该无人机系统的自主性。

前沿:无人机自主集群技术研究展望

图 3 自主性评价的蛛网模型
 
通过探讨无人机自主性的内涵和评价方法可知,自主表达的是行为方式,由自身决策完成某行为。自主不同于智能,智能是实施行为的能力,行为过程符合自然规律。二者间存在紧密关联:1)自主在前,智能在后,二者相辅相成;2)自主未必智能,但自主希望有智能;3)智能依赖自主,智能的等级取决于自主权的高低。无人机智能水平可划分为3个层级,与美国国防部《无人机系统路线图2005—2030》中的无人机自主控制等级的对应关系如下:第1层级高可靠活着包含遥引导、实时故障诊断、故障自修复和环境自适应、机载航路重规划;第2层级高品质工作包含多机协调、多机战术重规划、多机战术目标;第3层级为集体使命高效工作包含分布式控制、群组战略目标、全自主集群。无人机自主控制技术按照人类智能的一般发展路径可从“智商”、“情商”和“逆商”3方面提出对应的发展要求:“智商”对应无人机个体能力,即计算和决策方面的无人机自主控制技术,例如航路规划、舰载起降、对地攻击、空战决策等;“情商”对应无人机群体融合能力,即高带宽互联和互操作类技术,例如无人机协同编队、有人/无人协同飞行、协同侦查/打击等;“逆商”对应无人机应对非预期状况的能力,即高容错和提高环境适应性类技术,例如健康管理、故障重构、容错控制、碰撞检测与规避等。从目前所能达到的技术水平来看,真正实现复杂动态环境下无人机的自主控制是一项具有挑战性的技术难题。
 
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