基于集群智能的无人机协同控制系统分析

许昊

摘要：随着无人机技术的不断发展，面对高度对抗性和动态性的战场环境，无人机作战模式逐渐从单平台向多平台“群”作战方向发展。侦察探测是无人机应用最广泛的方法，群体智能算法的分布性和自组织特性符合实现无人机集群协同自主控制的要求。因此，越来越多的群体智能算法被应用于无人机协同探测领域。本文总结了近年来两种最成熟的群体智能算法在该领域的应用，为相关人员做出参考。

关键词：无人机集群;群体智能;协同探测

1 无人机集群发展概述

近年来，无人机集群技术在民用和军用领域都引起了广泛关注。在民用领域，无人机集群可用于灾害搜救、地形测绘、航空测绘、农药喷洒等方面。在军事领域，无人机集群数量多、体积小、成本低的特点使得无人机集群作战成为各国关注和研究的焦点。其应用形式可分为：突防侦察、诱饵干扰、察战一体、协同攻击。

美国致力于建设无人集群系统，争取在军事上的领先地位。美国国防部将无人机自主控制等级分为10级，包括单机自主、多机自主和集群自主。2016年美国空军发布《小型无人机系统飞行规划（2016—2036）》，从战略层面肯定了小型无人机系统的前景和价值。2018年，美国国防部发布了《无人系统综合路线图 （2017—2042）》，强调了自主性在加速无人系统进步中的重要作用，是一个重要的力量倍增器，将彻底改变作战概念。受军事需求，美军空中智能集群作战技术不断取得突破。2015年4月，美国海军公布了低成本无人机集群技术项目开展的一系列集群无人机技术验证工作。2016年4月，蝗虫项目完成了30架“丛林狼”无人机连续发射、群飞的试验。30架无人机相继发射，每架飞机发射后成功展开机翼飞行。无人机可以配备各种有效载荷，这可以使载人飞机和传统武器系统执行其他任务，是战斗倍增器，可以降低战士的风险。为了提高城市环境下小规模作战部队的作战效能，DARPA于2016年12月发布了进攻集群赋能战术（OFFSET）项目，旨在开发和演示100多种与作战相关的集群战术，应用于无人机和地面无人机集群。该项目将加速美军对无人集群战术关键使能技术的理解，构建开放的系统架构和测试平台。

2无人系统智能自主控制技术的发展需求

（1）性能高，自适应性强。未来无人机系统的运行环境复杂，性能要求越来越高。无人机作战系统需要在不可预测、危险的作战环境中工作，战场形势瞬息万变。未来作战战略布局要求无人机作战系统能够适应这些动态环境的不确定性，具有较强的自适应作战能力。无人轨道交通设备、无人运输机、无人服务飞机等，直接关系到人类生活的安全和舒适。未来的应用市场需要无人驾驶系统的人工智能特性，以满足复杂的交通环境和不同的客户需求。

（2）高可靠性。无论是军用还是民用领域的无人机系统，可靠性和安全性都是非常重要的指标。为了保证系统的可靠运行，不仅要提高硬件的可靠性和必要的冗余配置，还要提高软件的完备性，还要增强无人机系统的自主故障诊断和容错控制能力。

（3）多智能体组网和协同任务完成。利用强大的计算机信息网络，将多个智能体组合成一个大系统或作战平台，获取全面的侦察测量信息，快速、全面地洞察全局，进一步协同完成复杂任务，更快、更高效地实现连续工作，如多无人机协同的火场侦察、多导弹协同的高机动目标拦截等，是解决单个智能体能力有限问题的有效途径。多智能体组网系统完成复杂任务的策略不仅具有诸多优势，也给无人系统的控制带来了新的挑战，需要解决系统建模、资源管理、信息融合和综合感知等问题。网络中心战是美军在上世纪90年代提出的概念，多无人机组成的无人系统协同工作，可以充分利用现有无人机的智能化发展趋势，实现单个无人机无法完成的作战任务。比如多导弹系统协同攻击可以实现高强度突防、全方位攻击和以弱胜强的可能性。这种作战模式既能充分发挥低成本武器装备的规模优势，又能利用新的网络中心战框架下的信息交互，形成协同对抗、联合突防和规模饱和打击等。有效约束敌方高科技武器装备的优势，并实施有效的战术体系对抗。随着计算机技术和无线移动网络技术的快速发展，多无人协同武器系统将成为下一代智能武器的重要发展方向。

3协同控制体系结构

为了保证集群任务的性能，协同控制系统需要具有高可靠性、快速响应和快速重组。协作控制架构有两种类型：集中式架构和分布式架构。集中式结构将每架无人机的状态信息发送到控制中心（中心节点）进行统一处理。其中，控制中心可以是无人机、航天器、地面站等。所有无人机都向控制中心发送自己的状态信息或感知信息。然后，控制中心通过数据处理、任务规划、控制决策等环节，将控制信息传递给所有无人机，确保多架无人机能够统一执行指定任務。

在集中式结构中，任务控制命令由控制中心发送，无人机本身只有底层控制能力。集中式体系结构利用全局信息进行分析和决策，当控制中心的性能和通信带宽足够好时，可以更好地处理复杂的控制问题。同时，这种架构具有全局性能强的优势。当控制中心出现问题时，所有任务将被终止。因此，集中式结构存在计算量大差的缺点。

因此，集中式结构适用于处理实时性要求低、全局性能要求高的任务。分布式体系结构中没有明确的控制中心（中心节点）。所有无人机在群系统中地位平等，通过协作完成任务。在分布式控制结构下，全局控制问题被划分为若干个子问题，由每个无人机独立。每一架无人机都具有一定的自主控制和决策能力，可以根据拓扑网络的连通性与其他无人机进行交互，从而实现分布式协同控制协议作用下的无人机集群系统的整体控制。分布式体系结构具有实时性好、计算量小、灵活性高等优点。但在分布式架构下，多无人机的全局性能考虑不够，容易导致全局性能弱的问题。因此，分布式架构更适合具有高动态性和实时性的任务。

结语

综上所述，通过分析智能无人机的发展需求和应用前景，论证了将人工智能和智能控制技术引入无人机系统设计智能自主控制器的重要性。回顾了国内外无人机系统智能自主控制的研究水平和发展历程，总结了无人机系统智能自主控制的关键技术，并展望了未来的发展趋势。无人机系统智能自主控制技术正在蓬勃发展，但仍存在许多问题。

参考文献：

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