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前沿:無人機自主集群技術研究展望

時間:2019-10-21 13:32來源:無人機網 作者:中國通航 點擊:
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從明朝萬戶飛天,到達·芬奇撲翼機草圖,再到萊特兄弟“飛行者1號”,人類的飛天夢經過一代代人的大膽設想與不懈努力已最終實現。隨著數字時代的到來,無人機(unmanned aerial vehicle,UAV)應運而生,它打破了曾經僅有少數人可以征服天空的固有格局。無人機,作為一種“機上無人,系統有人”的無人駕駛飛行器,在執行枯燥、惡劣和危險(the dull, the dirty and the dangerous,3D)任務時,相比有人機具有更大的優勢。

 

無人機的發展歷史可以追溯到1914年,一項名為“AT計劃”的軍事絕密實驗在英國悄然展開,該項計劃的前期實驗雖未取得成功,卻掀起了航空發展史上的無人機熱潮。3年后,美國成功使用自動陀螺穩定器改裝Curtis N-9型教練機實現對其的無線電控制,第一架無人機就此誕生。1985年,中國第一架無人機——北京5號,歷經坎坷終于問世。中國無人機發展雖然起步較晚,但發展迅速,如今中國生產的各型無人機,如被稱為中國版“收割鷹”無人機的“彩虹四號”、“翼龍II”中空長航時察打一體無人機、大疆公司推出的定位于專業級航拍的精靈(Phantom)系列無人機,在國際市場得到廣泛認可,銷量不斷增加。
 
富于幻想的人類從未停止探索的腳步,今天他們又開始腦洞大開,希望無人機群可以像鳥群一樣群集飛行,即開發并實現類似自然界中生物群體系統一樣的無人機自主集群系統。法國動物學家Grassé基于白蟻筑巢行為,提出了共識自主性(stigmergy)概念:一種個體間間接協調的機制,即無需任何集中規劃以及直接通信完成復雜智能活動。這是自主集群概念開始走入人類視野并逐步發展的開端。從生物延展到無人機,自主集群的概念亦在不斷演化與豐富。
 
無人機自主集群是大量自驅動系統的集體運動,集群內的無人機間通過信息的傳輸與合作突現出智能,具備一定程度的共識自主性。具體來說,無人機自主集群飛行,就是大量具有自主能力的無人機按照一定結構形式進行三維空間排列,且在飛行過程中可保持穩定隊形,并能根據外部情況和任務需求進行隊形動態調整,以體現整個機群的協調一致性。無人機自主集群的內涵在“數”“價”“質”“變”4個方面有別于傳統的多架無人機協同:“數”是指二者數量規模不在一個量級,集群一般指幾十架甚至上百架無人機;“價”是指二者平臺造價不在一個水平,組成集群的單無人機平臺價格低廉,可大量裝備,使用時即使有損失,也不會過于慘重,故可大膽使用;“質”是指二者技術水平差距大,二者在智能傳感、環境感知、分析判斷、網絡通信、自主決策等方面均不在一個層次,無人機自主集群是有很強的智能涌現的共識自主性;“變”是指二者適變和應變能力差距大,無人機自主集群可針對威脅等突發狀況進行復雜協作、動態調整以及自愈組合。
 
無人機自主集群

無人機自主性
 
日益復雜的任務與環境決定了無人機系統必須具備很高的自主性。無人機的自動控制與自主控制的主要區別在于:自動控制是系統按照指令控制執行任務,而系統本身并沒有決策與協調的能力;而自主控制則需要無人機自身在必要的時刻做出決策。因此,無人機自主控制應該使無人機具有自治的能力,必須能夠在不確定對象和環境條件下,在無人參與的情況下,持續完成必要的控制功能。自主性、機載信息獲取、傳輸及其應用能力將是未來無人機在動態戰場環境下完成復雜任務的關鍵。
 
美國致力于打造無人機自主集群系統,力保軍事技術全球領先。美國國防高級研究計劃局(DefenseAdvancedResearch Projects Agency,DARPA)、海軍研究局等機構,在無人機集群高風險/高回報的概念驗證研究方面成果顯著。2005年8月,美國國防部發布的《無人機系統路線圖2005—2030》(圖1)將無人機自主控制等級分為1~10級,包括單機自主(遙引導、實時故障診斷、故障自修復和環境自適應、機載航路重規劃)、多機自主(多機協調、多機戰術重規劃、多機戰術目標)、集群自主(分布式控制、群組戰略目標、全自主集群)3個層面,并指出“全自主集群”是無人機自主控制的最高等級,預計2025年后無人機將具備全自主集群能力。
 
2016年5月,美國空軍發布了《小型無人機系統飛行規劃2016—2036》(圖2),從戰略層面肯定了小型無人機系統的前景和價值。規劃對“蜂群”、“編組”、“忠誠僚機”三種集群作戰概念進行了闡述,其中“編組”是人對人,“忠誠僚機”是人對機,“蜂群”是機對機,從側面印證了無人機集群發展的重要性。2018年8月,美國國防部發布了《無人系統綜合路線圖2017—2042》,在新版路線圖中再次強調了自主性對于加速無人系統領域進步的重要作用,即自主性技術的發展可極大提高人和無人系統的效率和效能,是重要的力量倍增器,將徹底改變作戰概念。
 

前沿:無人機自主集群技術研究展望

圖 1 無人機系統路線圖(2005—2030)

前沿:無人機自主集群技術研究展望

圖 2 小型無人機系統飛行規劃(2016—2036)
 
關于無人機自主性評價的方法除《無人機系統路線圖2005—2030》中采用的等級法外,還有雙坐標軸法、三坐標軸法、查表法、公式法等。評定無人機的自主等級,實際上是評估無人機在完成特定任務過程中所呈現的自主能力。因此,可以將無人機的關鍵技術作為其自主性的評價項目,構建圖3所示的蛛網模型:從原點往外輻射出代表評價項目或關鍵技術的若干條軸,每個項目都有若干個表征技術成熟程度的等級,對于每一個無人機系統,將其在每條軸上對應的等級依次連接起來,即可用類似蛛網的緯線評價該無人機系統的自主性。

前沿:無人機自主集群技術研究展望

圖 3 自主性評價的蛛網模型
 
通過探討無人機自主性的內涵和評價方法可知,自主表達的是行為方式,由自身決策完成某行為。自主不同于智能,智能是實施行為的能力,行為過程符合自然規律。二者間存在緊密關聯:1)自主在前,智能在后,二者相輔相成;2)自主未必智能,但自主希望有智能;3)智能依賴自主,智能的等級取決于自主權的高低。無人機智能水平可劃分為3個層級,與美國國防部《無人機系統路線圖2005—2030》中的無人機自主控制等級的對應關系如下:第1層級高可靠活著包含遙引導、實時故障診斷、故障自修復和環境自適應、機載航路重規劃;第2層級高品質工作包含多機協調、多機戰術重規劃、多機戰術目標;第3層級為集體使命高效工作包含分布式控制、群組戰略目標、全自主集群。無人機自主控制技術按照人類智能的一般發展路徑可從“智商”、“情商”和“逆商”3方面提出對應的發展要求:“智商”對應無人機個體能力,即計算和決策方面的無人機自主控制技術,例如航路規劃、艦載起降、對地攻擊、空戰決策等;“情商”對應無人機群體融合能力,即高帶寬互聯和互操作類技術,例如無人機協同編隊、有人/無人協同飛行、協同偵查/打擊等;“逆商”對應無人機應對非預期狀況的能力,即高容錯和提高環境適應性類技術,例如健康管理、故障重構、容錯控制、碰撞檢測與規避等。從目前所能達到的技術水平來看,真正實現復雜動態環境下無人機的自主控制是一項具有挑戰性的技術難題。
 
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