關(guān)于無人機集群偵察的思考(編輯修改稿)
2024-07-13 03:45 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 無人機集群偵察克服了單個無人機偵察區(qū)域小，不能偵察動態(tài)目標(biāo)的缺陷，可以很好的實現(xiàn)對大面積區(qū)域?qū)崟r偵察以及對動態(tài)目標(biāo)實時偵察。無人機集群偵察很大程度上提高了偵察的覆蓋率和實時準(zhǔn)確性，對于情報信息收集有著非凡的意義。無人機集群具有分布式探測能力和集群智慧，再加上集群如果具有動態(tài)網(wǎng)絡(luò)自愈合能力，那么集群偵察技術(shù)相比普通偵察技術(shù)有如下的優(yōu)勢。無人機集群偵察技術(shù)的特點就是單個的個體功能相對簡單，但是整個集群的優(yōu)勢明顯。由于單個個體功能比較簡單，而且規(guī)格較小，所以單個無人機的造價相對低廉，而且配合上3D打印技術(shù)，損失的個體可以快速得到補充，部分個體犧牲并不會對集群造成大的影響。相比以前的昂貴的單個多功能無人機有著更明顯的優(yōu)勢。再加上集群的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)自愈合的能力，那么某些飛行折損率高的危險區(qū)域，一般個體無人機會放棄偵察任務(wù)，但無人機集群卻可以進行偵察。無人機集群偵察技術(shù)是在以前的技術(shù)上，將無人機做到更小，同時執(zhí)行任務(wù)的無人機數(shù)量倍增，以成本低，數(shù)量大取得優(yōu)勢。由于集群的探測器分布較分散而且集群整體的智慧行為，因此控制好集群的隊形變換，可以同時對點目標(biāo)，線目標(biāo)，面目標(biāo)進行偵察，而且對于部分重點區(qū)域還可以進行全面覆蓋實時偵察，對于動態(tài)目標(biāo)還可以進行多機聯(lián)合跟蹤偵察。集群技術(shù)可完成的偵察任務(wù)種類多，再加上成本低，犧牲代價小，可以對某些危險區(qū)域偵察，那么集群偵察所能覆蓋的范圍也相比單個無人機更廣。當(dāng)無人機的尺寸發(fā)展到可以單兵攜帶或者幾個單兵拆解組裝攜帶時，偵察任務(wù)將會變成全地形無死角偵察。 可靠性高無人機集群采用動態(tài)自組網(wǎng)技術(shù)，使網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量得到了保證，而且網(wǎng)絡(luò)具有一定的自愈能力，使提高了數(shù)據(jù)鏈的可靠性。目前無人機的通信模式仍然以單機與地面站通信方式為主，信息傳輸仍是集中式的，分布式的去中心化的無人機集群利用自組網(wǎng)技術(shù)可以實現(xiàn)無人機之間的信息高速共享，同時提高集群的抗故障與自愈能力。因此無人機集群在執(zhí)行偵察任務(wù)時，偵察質(zhì)量將會有保障，而且系統(tǒng)的魯棒性更好，也就是面臨突發(fā)狀況時系統(tǒng)的可靠性更高。 集群偵察流程設(shè)計無人機集群飛行不同于以往的機群飛行，經(jīng)過系統(tǒng)控制架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)的有機結(jié)合，集群可產(chǎn)生新的能力或原有能力發(fā)生質(zhì)的變化。如圖6所示，無人機集群執(zhí)行任務(wù)時的流程設(shè)計如下：1)首先系統(tǒng)對任務(wù)進行分析，求出最優(yōu)的任務(wù)規(guī)劃方案；2)然后各無人機從同一機場或不同機場起飛，往某一指定空域構(gòu)建集群。 3)集結(jié)后的無人機集群根據(jù)航跡規(guī)劃出的路線飛往任務(wù)點。 4)到達任務(wù)空域后針對不同任務(wù)進行調(diào)整并協(xié)同完成偵察任務(wù)。 5)如果在任務(wù)中遇到個體損毀或者添加新的任務(wù)，對突發(fā)情況進行分析，重新進行任務(wù)分析，然后進行任務(wù)規(guī)劃和航跡規(guī)劃，繼續(xù)完成偵察任務(wù)；6)任務(wù)執(zhí)行完畢后，以一定的編隊形式依據(jù)飛行規(guī)則返回指定機場降落，任務(wù)結(jié)束。任務(wù)開始任務(wù)分析集群解散，返航協(xié)同完成偵察任務(wù)集群構(gòu)建和集群飛行任務(wù)規(guī)劃和航跡規(guī)劃任務(wù)結(jié)束遇見突發(fā)情況？是對當(dāng)前狀況進行重新分析偵察結(jié)束否圖6 無人機集群偵察流程圖 UAV swarm reconnaissance flow chart 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和問題的思考 集群系統(tǒng)控制技術(shù)無人機集群要協(xié)同完成任務(wù)，無人機與無人機之間以及無人機與控制臺之間就必須要有很好控制關(guān)系，系統(tǒng)也必須要有很好的控制結(jié)構(gòu)。目前的研究大多是針對于兩機或三機等小規(guī)模的無人機編隊，對與數(shù)量比較大的集群控制研究以及沖突避免的研究都還比較少。對于以前的控制算法，當(dāng)集群的數(shù)量線性增加時，控制算法的復(fù)雜度將會是超線性的增加。系統(tǒng)控制技術(shù)應(yīng)該具有如下幾個特點：(1) 安全性，由于無人機集群的數(shù)量比較多，要保證系統(tǒng)內(nèi)的所有單個個體間不能有沖突，因此無人機之間的規(guī)避控制技術(shù)很大的保障了無人機集群安全飛行；(2) 實時高效性，即控制應(yīng)該實時高效，控制系統(tǒng)以便能在意外發(fā)生或者任務(wù)有所改變時做出及時的處理；(3) 穩(wěn)定性高，也就是具備強的魯棒性，即無人機可以隨時退出或者加入集群，而不會影響控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)；(4) 結(jié)構(gòu)分布性，即由于在集中式控制的情況下，集群數(shù)量的增加將會極大的提升集中控制的難度，因此我們應(yīng)采用分布式設(shè)計，保證數(shù)量的增加給系統(tǒng)的控制不會產(chǎn)生大的影響。 集群通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在多無人機集群協(xié)同任務(wù)自組織系統(tǒng)中，無人機作為通信網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，其空間的分布決定了網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，而不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)有著不同的通信性能。在一定的通信拓撲結(jié)構(gòu)及性能下，根據(jù)所執(zhí)行的任務(wù)分配通信資源，提高通信質(zhì)量，是集群技術(shù)難題之一。因此我們對于集群之間的通信系統(tǒng)應(yīng)該以下幾個要求：(1) 低時延，需要信息交互的無人機之間的通信時延必須要滿足飛行速度的要求，同樣，執(zhí)行任務(wù)的無人機和控制臺之間的通信時延也必須要滿足飛行速度的要求；(2) 魯棒性高，即通信拓撲的聯(lián)通性和抗穩(wěn)定性高。我們可以使集群的單個無人機不僅可以作為信息發(fā)送和接收節(jié)點，同時也可以作為信息轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，這樣集群損失某些個體后，系統(tǒng)的聯(lián)通性不受影響；(3) 與控制系統(tǒng)耦合性好，通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該是為能更好的控制集群和完成任務(wù)而服務(wù)的，那么通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計必須和控制系統(tǒng)架構(gòu)相結(jié)合。同時也必須和控制關(guān)系相耦合，滿足信息的及時傳輸，進而提高集群完成任務(wù)的效能。針對以上的通信網(wǎng)絡(luò)要求，我們可以做出設(shè)想，在5G萬物互聯(lián)的時代到來之際，我們可以借鑒移動蜂窩和D2D（devicetodevice）結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以及現(xiàn)階段的各種自組
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