有關(guān)無人機(jī)集群偵察的思考-在線瀏覽
2024-08-05 03:02本頁面
【正文】 2000美國國防部高級研究計(jì)劃局（DARPA）啟動了無人機(jī)集群空中戰(zhàn)役研究計(jì)劃[7]，這是第一次將無人機(jī)和集群技術(shù)相結(jié)合。2005年8月，美國國防部發(fā)布了《無人機(jī)系統(tǒng)路線圖20052030》[9]。2013年，Kushleyev等人讓20架小型四旋翼無人機(jī)（75g）在室內(nèi)組成各種形狀的飛行編隊(duì)，在集群技術(shù)領(lǐng)域取得了突破[10]。在此計(jì)劃中，他們開發(fā)可重復(fù)使用的無人機(jī)群，即采用C130飛機(jī)投放網(wǎng)絡(luò)無人機(jī)集群，使無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)，執(zhí)行遠(yuǎn)距離電子攻擊和偵察任務(wù)，并在任務(wù)完成后對幸存無人機(jī)進(jìn)行回收的技術(shù)。此次規(guī)劃中美軍提出了一些新穎的作戰(zhàn)概念，其中無人機(jī)集群為這次規(guī)劃的重心。圖3 蜂群作戰(zhàn)想象圖 Swarms bat imagination map我國對于無人機(jī)的研究發(fā)展起步較晚，但是現(xiàn)在大有追上世界一流的趨勢。特別是如今智能優(yōu)化算法的發(fā)展，以及人工智能技術(shù)的進(jìn)步，使集群技術(shù)里的難題得到了很好的解決。韓玉龍，高武等人在基于蟻群算法的基礎(chǔ)上對多UAV協(xié)同偵察任務(wù)規(guī)劃問題進(jìn)行了求解，并取得了滿意的結(jié)果[14]。航跡規(guī)劃求解現(xiàn)已經(jīng)被證明是一個(gè)NP問題[16]。除此之外，居陽等人運(yùn)用了HOCAOGLU算法，實(shí)現(xiàn)了不確定環(huán)境下無人機(jī)機(jī)群的路徑規(guī)劃[22]。在集群控制方面，在對于無人機(jī)避免碰撞的問題上，楊祖強(qiáng)等人運(yùn)用四維（三維位置與時(shí)間）規(guī)劃技術(shù)廣義tau理論出色的完成多機(jī)協(xié)同任務(wù)飛行[25]。 沈東等人設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)字信息素的無人機(jī)集群搜索控制方法，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)集群搜索控制，并且證明了無人機(jī)集群的搜索能力遠(yuǎn)高于無人機(jī)編隊(duì)[27]。陳思靜等人提出了一種可切換組網(wǎng)模式的高動態(tài)自組織的無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)提供了全聯(lián)通的對等模式和成簇的分級模式兩種組網(wǎng)方式[29]。該成果由CETC、清華大學(xué)、泊松技術(shù)攜手完成。圖4 珠海航展現(xiàn)場資料圖片 Zhuhai air show site information picture圖5 現(xiàn)場仿真圖片 Live simulation picture2 無人機(jī)集群偵察技術(shù)思考無人機(jī)集群在現(xiàn)代戰(zhàn)場中有著明顯的優(yōu)勢。集群偵察技術(shù)是集群技術(shù)的重要組成部分，它是其他所有技術(shù)的基礎(chǔ)和前提，偵察技術(shù)的好壞將直接影響作戰(zhàn)質(zhì)量以及戰(zhàn)場走勢。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，對于情報(bào)信息收集有著非凡的意義。無人機(jī)集群偵察技術(shù)的特點(diǎn)就是單個(gè)的個(gè)體功能相對簡單，但是整個(gè)集群的優(yōu)勢明顯。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。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。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。 可靠性高無人機(jī)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。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。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。 4)到達(dá)任務(wù)空域后針對不同任務(wù)進(jìn)行調(diào)整并協(xié)同完成偵察任務(wù)。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(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)。對于以前的控制算法，當(dāng)集群的數(shù)量線性增加時(shí)，控制算法的復(fù)雜度將會是超線性的增加。 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。因此我們對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。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。 集群任務(wù)規(guī)劃技術(shù)為了實(shí)現(xiàn)在保證集群完成任務(wù)的質(zhì)量的同時(shí)，完成任務(wù)所消耗的資源最小，與此同時(shí)還需要保證控制結(jié)構(gòu)不依賴于集群內(nèi)無人機(jī)的數(shù)量，保證集群的自愈合優(yōu)點(diǎn)，以及構(gòu)建集群的自組織系統(tǒng)的分布式結(jié)構(gòu)，我們需要給出最優(yōu)的集群組成方案。集中式任務(wù)規(guī)劃對于數(shù)量少的無人機(jī)群可以很快的求解出最優(yōu)任務(wù)規(guī)劃方案，使資源分配達(dá)到最優(yōu)，但求解難度隨著無人機(jī)數(shù)量的增大而急劇攀升。但是對于數(shù)量大的無人機(jī)集群來說，分布式任務(wù)規(guī)劃具有計(jì)算簡單，魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。 集群航跡規(guī)劃技術(shù)集群里的單個(gè)無人機(jī)都有一條自己單獨(dú)的飛行航跡，規(guī)劃航跡的好壞之間影響集群的完全，以及任務(wù)完成質(zhì)量。因此，航跡規(guī)劃技術(shù)必須具有以下特點(diǎn)a， 安全性，各個(gè)航跡之間不能用沖突；b， 可行性，航跡必須貼近實(shí)際飛行，安
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