基于集群智能的無人機協同控制系統分析

許昊

摘要：隨著無人機技術的不斷發展，面對高度對抗性和動態性的戰場環境，無人機作戰模式逐漸從單平臺向多平臺“群”作戰方向發展。偵察探測是無人機應用最廣泛的方法，群體智能算法的分布性和自組織特性符合實現無人機集群協同自主控制的要求。因此，越來越多的群體智能算法被應用于無人機協同探測領域。本文總結了近年來兩種最成熟的群體智能算法在該領域的應用，為相關人員做出參考。

關鍵詞：無人機集群;群體智能;協同探測

1 無人機集群發展概述

近年來，無人機集群技術在民用和軍用領域都引起了廣泛關注。在民用領域，無人機集群可用于災害搜救、地形測繪、航空測繪、農藥噴灑等方面。在軍事領域，無人機集群數量多、體積小、成本低的特點使得無人機集群作戰成為各國關注和研究的焦點。其應用形式可分為：突防偵察、誘餌干擾、察戰一體、協同攻擊。

美國致力于建設無人集群系統，爭取在軍事上的領先地位。美國國防部將無人機自主控制等級分為10級，包括單機自主、多機自主和集群自主。2016年美國空軍發布《小型無人機系統飛行規劃（2016—2036）》，從戰略層面肯定了小型無人機系統的前景和價值。2018年，美國國防部發布了《無人系統綜合路線圖 （2017—2042）》，強調了自主性在加速無人系統進步中的重要作用，是一個重要的力量倍增器，將徹底改變作戰概念。受軍事需求，美軍空中智能集群作戰技術不斷取得突破。2015年4月，美國海軍公布了低成本無人機集群技術項目開展的一系列集群無人機技術驗證工作。2016年4月，蝗蟲項目完成了30架“叢林狼”無人機連續發射、群飛的試驗。30架無人機相繼發射，每架飛機發射后成功展開機翼飛行。無人機可以配備各種有效載荷，這可以使載人飛機和傳統武器系統執行其他任務，是戰斗倍增器，可以降低戰士的風險。為了提高城市環境下小規模作戰部隊的作戰效能，DARPA于2016年12月發布了進攻集群賦能戰術（OFFSET）項目，旨在開發和演示100多種與作戰相關的集群戰術，應用于無人機和地面無人機集群。該項目將加速美軍對無人集群戰術關鍵使能技術的理解，構建開放的系統架構和測試平臺。

2無人系統智能自主控制技術的發展需求

（1）性能高，自適應性強。未來無人機系統的運行環境復雜，性能要求越來越高。無人機作戰系統需要在不可預測、危險的作戰環境中工作，戰場形勢瞬息萬變。未來作戰戰略布局要求無人機作戰系統能夠適應這些動態環境的不確定性，具有較強的自適應作戰能力。無人軌道交通設備、無人運輸機、無人服務飛機等，直接關系到人類生活的安全和舒適。未來的應用市場需要無人駕駛系統的人工智能特性，以滿足復雜的交通環境和不同的客戶需求。

（2）高可靠性。無論是軍用還是民用領域的無人機系統，可靠性和安全性都是非常重要的指標。為了保證系統的可靠運行，不僅要提高硬件的可靠性和必要的冗余配置，還要提高軟件的完備性，還要增強無人機系統的自主故障診斷和容錯控制能力。

（3）多智能體組網和協同任務完成。利用強大的計算機信息網絡，將多個智能體組合成一個大系統或作戰平臺，獲取全面的偵察測量信息，快速、全面地洞察全局，進一步協同完成復雜任務，更快、更高效地實現連續工作，如多無人機協同的火場偵察、多導彈協同的高機動目標攔截等，是解決單個智能體能力有限問題的有效途徑。多智能體組網系統完成復雜任務的策略不僅具有諸多優勢，也給無人系統的控制帶來了新的挑戰，需要解決系統建模、資源管理、信息融合和綜合感知等問題。網絡中心戰是美軍在上世紀90年代提出的概念，多無人機組成的無人系統協同工作，可以充分利用現有無人機的智能化發展趨勢，實現單個無人機無法完成的作戰任務。比如多導彈系統協同攻擊可以實現高強度突防、全方位攻擊和以弱勝強的可能性。這種作戰模式既能充分發揮低成本武器裝備的規模優勢，又能利用新的網絡中心戰框架下的信息交互，形成協同對抗、聯合突防和規模飽和打擊等。有效約束敵方高科技武器裝備的優勢，并實施有效的戰術體系對抗。隨著計算機技術和無線移動網絡技術的快速發展，多無人協同武器系統將成為下一代智能武器的重要發展方向。

3協同控制體系結構

為了保證集群任務的性能，協同控制系統需要具有高可靠性、快速響應和快速重組。協作控制架構有兩種類型：集中式架構和分布式架構。集中式結構將每架無人機的狀態信息發送到控制中心（中心節點）進行統一處理。其中，控制中心可以是無人機、航天器、地面站等。所有無人機都向控制中心發送自己的狀態信息或感知信息。然后，控制中心通過數據處理、任務規劃、控制決策等環節，將控制信息傳遞給所有無人機，確保多架無人機能夠統一執行指定任務。

在集中式結構中，任務控制命令由控制中心發送，無人機本身只有底層控制能力。集中式體系結構利用全局信息進行分析和決策，當控制中心的性能和通信帶寬足夠好時，可以更好地處理復雜的控制問題。同時，這種架構具有全局性能強的優勢。當控制中心出現問題時，所有任務將被終止。因此，集中式結構存在計算量大差的缺點。

因此，集中式結構適用于處理實時性要求低、全局性能要求高的任務。分布式體系結構中沒有明確的控制中心（中心節點）。所有無人機在群系統中地位平等，通過協作完成任務。在分布式控制結構下，全局控制問題被劃分為若干個子問題，由每個無人機獨立。每一架無人機都具有一定的自主控制和決策能力，可以根據拓撲網絡的連通性與其他無人機進行交互，從而實現分布式協同控制協議作用下的無人機集群系統的整體控制。分布式體系結構具有實時性好、計算量小、靈活性高等優點。但在分布式架構下，多無人機的全局性能考慮不夠，容易導致全局性能弱的問題。因此，分布式架構更適合具有高動態性和實時性的任務。

結語

綜上所述，通過分析智能無人機的發展需求和應用前景，論證了將人工智能和智能控制技術引入無人機系統設計智能自主控制器的重要性?；仡櫫藝鴥韧鉄o人機系統智能自主控制的研究水平和發展歷程，總結了無人機系統智能自主控制的關鍵技術，并展望了未來的發展趨勢。無人機系統智能自主控制技術正在蓬勃發展，但仍存在許多問題。

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