有關(guān)無人機(jī)集群偵察的思考(編輯修改稿)
2024-07-22 03:02 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 無人機(jī)集群偵察克服了單個(gè)無人機(jī)偵察區(qū)域小，不能偵察動(dòng)態(tài)目標(biāo)的缺陷，可以很好的實(shí)現(xiàn)對(duì)大面積區(qū)域?qū)崟r(shí)偵察以及對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)實(shí)時(shí)偵察。無人機(jī)集群偵察很大程度上提高了偵察的覆蓋率和實(shí)時(shí)準(zhǔn)確性，對(duì)于情報(bào)信息收集有著非凡的意義。無人機(jī)集群具有分布式探測(cè)能力和集群智慧，再加上集群如果具有動(dòng)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(shì)。無人機(jī)集群偵察技術(shù)的特點(diǎn)就是單個(gè)的個(gè)體功能相對(duì)簡單，但是整個(gè)集群的優(yōu)勢(shì)明顯。由于單個(gè)個(gè)體功能比較簡單，而且規(guī)格較小，所以單個(gè)無人機(jī)的造價(jià)相對(duì)低廉，而且配合上3D打印技術(shù)，損失的個(gè)體可以快速得到補(bǔ)充，部分個(gè)體犧牲并不會(huì)對(duì)集群造成大的影響。相比以前的昂貴的單個(gè)多功能無人機(jī)有著更明顯的優(yōu)勢(shì)。再加上集群的動(dòng)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(xiǎn)區(qū)域，一般個(gè)體無人機(jī)會(huì)放棄偵察任務(wù)，但無人機(jī)集群卻可以進(jìn)行偵察。無人機(jī)集群偵察技術(shù)是在以前的技術(shù)上，將無人機(jī)做到更小，同時(shí)執(zhí)行任務(wù)的無人機(jī)數(shù)量倍增，以成本低，數(shù)量大取得優(yōu)勢(shì)。由于集群的探測(cè)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(duì)形變換，可以同時(shí)對(duì)點(diǎn)目標(biāo)，線目標(biāo)，面目標(biāo)進(jìn)行偵察，而且對(duì)于部分重點(diǎn)區(qū)域還可以進(jìn)行全面覆蓋實(shí)時(shí)偵察，對(duì)于動(dòng)態(tài)目標(biāo)還可以進(jìn)行多機(jī)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(jià)小，可以對(duì)某些危險(xiǎn)區(qū)域偵察，那么集群偵察所能覆蓋的范圍也相比單個(gè)無人機(jī)更廣。當(dāng)無人機(jī)的尺寸發(fā)展到可以單兵攜帶或者幾個(gè)單兵拆解組裝攜帶時(shí)，偵察任務(wù)將會(huì)變成全地形無死角偵察。 可靠性高無人機(jī)集群采用動(dòng)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(jī)的通信模式仍然以單機(jī)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(jī)集群利用自組網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)之間的信息高速共享，同時(shí)提高集群的抗故障與自愈能力。因此無人機(jī)集群在執(zhí)行偵察任務(wù)時(shí)，偵察質(zhì)量將會(huì)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(shí)系統(tǒng)的可靠性更高。 集群偵察流程設(shè)計(jì)無人機(jī)集群飛行不同于以往的機(jī)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(jī)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(jī)集群執(zhí)行任務(wù)時(shí)的流程設(shè)計(jì)如下：1)首先系統(tǒng)對(duì)任務(wù)進(jìn)行分析，求出最優(yōu)的任務(wù)規(guī)劃方案；2)然后各無人機(jī)從同一機(jī)場或不同機(jī)場起飛，往某一指定空域構(gòu)建集群。 3)集結(jié)后的無人機(jī)集群根據(jù)航跡規(guī)劃出的路線飛往任務(wù)點(diǎn)。 4)到達(dá)任務(wù)空域后針對(duì)不同任務(wù)進(jìn)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(gè)體損毀或者添加新的任務(wù)，對(duì)突發(fā)情況進(jìn)行分析，重新進(jìn)行任務(wù)分析，然后進(jìn)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(duì)形式依據(jù)飛行規(guī)則返回指定機(jī)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(duì)當(dāng)前狀況進(jìn)行重新分析偵察結(jié)束否圖6 無人機(jī)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(jī)集群要協(xié)同完成任務(wù)，無人機(jī)與無人機(jī)之間以及無人機(jī)與控制臺(tái)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(duì)于兩機(jī)或三機(jī)等小規(guī)模的無人機(jī)編隊(duì)，對(duì)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(duì)于以前的控制算法，當(dāng)集群的數(shù)量線性增加時(shí)，控制算法的復(fù)雜度將會(huì)是超線性的增加。系統(tǒng)控制技術(shù)應(yīng)該具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：(1) 安全性，由于無人機(jī)集群的數(shù)量比較多，要保證系統(tǒng)內(nèi)的所有單個(gè)個(gè)體間不能有沖突，因此無人機(jī)之間的規(guī)避控制技術(shù)很大的保障了無人機(jī)集群安全飛行；(2) 實(shí)時(shí)高效性，即控制應(yīng)該實(shí)時(shí)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(shí)做出及時(shí)的處理；(3) 穩(wěn)定性高，也就是具備強(qiáng)的魯棒性，即無人機(jī)可以隨時(shí)退出或者加入集群，而不會(huì)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(huì)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(jì)，保證數(shù)量的增加給系統(tǒng)的控制不會(huì)產(chǎn)生大的影響。 集群通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在多無人機(jī)集群協(xié)同任務(wù)自組織系統(tǒng)中，無人機(jī)作為通信網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，其空間的分布決定了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有著不同的通信性能。在一定的通信拓?fù)浣Y(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(duì)于集群之間的通信系統(tǒng)應(yīng)該以下幾個(gè)要求：(1) 低時(shí)延，需要信息交互的無人機(jī)之間的通信時(shí)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(jī)和控制臺(tái)之間的通信時(shí)延也必須要滿足飛行速度的要求；(2) 魯棒性高，即通信拓?fù)涞穆?lián)通性和抗穩(wěn)定性高。我們可以使集群的單個(gè)無人機(jī)不僅可以作為信息發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)，同時(shí)也可以作為信息轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，這樣集群損失某些個(gè)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(jì)必須和控制系統(tǒng)架構(gòu)相結(jié)合。同時(shí)也必須和控制關(guān)系相耦合，滿足信息的及時(shí)傳輸，進(jìn)而提高集群完成任務(wù)的效能。針對(duì)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(shí)代到來之際，我們可以借鑒移動(dòng)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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