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无人机集群技术国内外对比

时间:2020-07-08 15:30来源:无人机 作者:中国通航
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       国内的无人机集群在编队表演方面已经演绎的淋漓尽致,但是在作业与军事上还是鲜有研究,而国外特别是美国直奔战场而去,并形成了理论。
 
 
       无人机技术正处于大力发展阶段,单架无人机的系统集成度越来越高,功能也越来越强大。然而,面对日益复杂的应用环境和多样化的需求,无人机受其自身软硬件条件的限制,仍有某些局限性:对单架无人机而言,其自身的燃料、重量和尺寸起着重要的限制作用,无法形成持续有力的打击力度;受机载传感器以及通信设备的限制,单架无人机也无法实现对任务区域的多维度、大范围覆盖;在执行高风险任务时,单架无人机可能因为受到攻击或自身故障而失效,从而导致任务系统容错性不足等等。对小型无人机尤其如此。
 
       为弥补单架无人机的局限性,美国空军科学顾问委员会指出,无人机应当以集群的方式协同工作,而不是单独行动。在未来很多应用场景中,无人机将体现出多机西戎工作的特点。即由多架相同或不同型号的UAV组成多无人机系统,协同作业,共同完成任务。无人机群,由多种型号的有人或无人机组成的混合集群,甚至无人机与其他有人或无人作战机器如无人战斗车辆组成的混合异构群组,必然是未来战争无人作战机器的主要作战形式。这样,既能最大地发挥无人机的优势,又能避免由于单架无人机执行任务效果不佳或失败造成的不良后果,提高任务执行效率,拓展新的任务执行方式,从而达到提高系统可靠性、改善任务执行效果的目的。
 
       多UAV协同工作的优势主要来源于信息融合和资源互补两个方面。在多机并行执行任务的过程中,每架无人机收集到的信息都是其各自位置上的局部信息,无人机群众所有成员的信息又组合成一个信息模型,提供给鞠策系统进行多机系统内的任务分工和调度,以提高任务的执行效率;且当某个成员失效时,能及时更新系统信息,动态调整系统成员间的执行效果,从而提高系统的可靠性和容错性;受单机能力和任务要求的限制,需要多架无人机共同完成某项任务,或者多机相互配合,以满足任务的时间、空间与指标优化等要求,达到资源和功能互补的效果,如对同一个目标依序执行确认、攻击和毁伤评估任务,对同一个执行同时性的多角度跟踪任务等。
 
       要指派多架UAV协同执行一项任务,提高任务的效能,就离不开合理高效的协同控制手段,必须对多机系统进行合理的协同任务规划。它是对多无人机UAV协同执行任务进行研究的核心,设计控制理论、运筹学、决策理论、图论、信息论、系统论、计算机科学、荣恭智能、通信理论等多个学科领域。
 
       在实际任务的执行中、受UAV、任务要求和环境因素等的影响与制约,对多UAV进行协同控制是一个极其复杂、极具挑战性的过程,其复杂性主要体现在:
       (1)任务环境的复杂性:复杂的对抗性的动态环境,可能包含着多种既有的和突发的威胁、障碍、极端天气等,而且UAV与系统可能无法获知或无法及时获知环境的全局信息及其变化;
       (2)多无人机系统成员间的差异:UAV数量以及不同UAV间的运动学动力学特性、功能差异、信息收集与处理和通信能力的差异,而且无人机可能在任务执行过程中失效等;
       (3)任务需求的复杂性:不同的任务具有不同的要求,其在作战目标、时序约束、时间没感性约束、任务间耦合约束、任务指标等各个方面均可能存在着差异,而且作战目标还可能存在着不确定性,如移动目标、目标参数不确定等问题;
       (4)计算复杂性:在进行协同任务规划问题研究时,不可避免的会碰到一个NP难题,即随着问题规模的线性增长,如无人机数量、目标数量等,问题的解空间呈指数级的爆炸式扩张,当问题规模增大时,从这个庞大的解空间中找到最优解需要耗费大量的计算,非常困难。当任务的实时性要求较高时,这个矛盾会更突出,甚至会直接以你选哪个协同任务的执行效果;
       (5)通信约束的复杂性:任务环境的复杂多变就必然会对UAV机群的通信网络造成影响,如通信拓扑结构变化、宽带受限、通信干扰、通信延时等,甚至可能会出现虚假通信等问题,在考虑到UAV本身的通信设备性能限制,如通信距离和宽带等,以及某些任务可能会要求通信尽可能的少,这极大的增加了多机协同问题的复杂程度。
 
       在上述复杂性的共同作用下,多无人机协同任务规划问题就编程了一个极其复杂的问题,对该问题进行建模与求解的难度也大大增加。作为无人机技术发展的一个重要趋势,多UAV协同控制方面的研究方向收到了美国军方的极大重视,已经被美国空军研究局列为六大基础研究课题①之一,也成为学术界的研究热点之一。
       注① :美国空军研究局六大基础研究课题:1)灵感来自生物的概念;2)协同控制;3)等离子体动力学;4)太空微型科学;5)量子计算;6)用于可支付得起的新型系统的材料工程学。
 
       国外研究现状
 
       为探索多无人机协同工作的理论与实现机理,国外已经开展了大量相关的研究项目。其中具有代表性的是美国国防部高级研究计划局(DARPA)牵头的自治编队混合主动控制项目(Mixed Initiative Control of Automata-teams,MICA②)、广域搜索弹药项目(Wide Area Search Munitions,WASM)和欧洲信息社会技术计划(Information Society Technologies,IST)资助的异构无人能及群实时协同与控制项目(Real-time Coordination and Control of Multiple Heterogeneous UAVs,COMETS③)等。
 
 
       注② :MICA 项目的目标是,在减少操作员人为干预的前提下提升无人机的自主与协同控制能力,涉及的研究内容包括无人机自主协同作战的分层控制结构、多无人机自主编队控制方法和无人机协同作战的建模与仿真技术等,参与研究的机构包括加州大学伯克利分校、麻省理工学院( MIT ) 以及霍尼韦尔公司(Honeywell)等。
 
       注③ :欧洲COMETS项目是一个多国合作的民用研究项目,其研究对象是一个由包括无人直升机和无人飞艇在内的多平台异构无人机群组成的协同探测与监视系统,研究目标是为该异构多UAV设计和实现分布式实时控制系统,集成分布式感知与实时图像处理等技术,并在森林火灾监视任务中对系统的关键技术进行演示验证。该项目的相关结果已经陈列在其官方网站上http://www.comets-uavs.org/),最终成果也已经集中出版。
 
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