國內的無人機集群在編隊表演方面已經(jīng)演繹的淋漓盡致，但是在作業(yè)與軍事上還是鮮有研究，而國外特別是美國直奔戰(zhàn)場而去，并形成了理論。

 

 

       無人機技術正處于大力發(fā)展階段，單架無人機的系統(tǒng)集成度越來越高，功能也越來越強大。然而，面對日益復雜的應用環(huán)境和多樣化的需求，無人機受其自身軟硬件條件的限制，仍有某些局限性：對單架無人機而言，其自身的燃料、重量和尺寸起著重要的限制作用，無法形成持續(xù)有力的打擊力度；受機載傳感器以及通信設備的限制，單架無人機也無法實現(xiàn)對任務區(qū)域的多維度、大范圍覆蓋；在執(zhí)行高風險任務時，單架無人機可能因為受到攻擊或自身故障而失效，從而導致任務系統(tǒng)容錯性不足等等。對小型無人機尤其如此。

 

       為彌補單架無人機的局限性，美國空軍科學顧問委員會指出，無人機應當以集群的方式協(xié)同工作，而不是單獨行動。在未來很多應用場景中，無人機將體現(xiàn)出多機西戎工作的特點。即由多架相同或不同型號的UAV組成多無人機系統(tǒng)，協(xié)同作業(yè)，共同完成任務。無人機群，由多種型號的有人或無人機組成的混合集群，甚至無人機與其他有人或無人作戰(zhàn)機器如無人戰(zhàn)斗車輛組成的混合異構群組，必然是未來戰(zhàn)爭無人作戰(zhàn)機器的主要作戰(zhàn)形式。這樣，既能最大地發(fā)揮無人機的優(yōu)勢，又能避免由于單架無人機執(zhí)行任務效果不佳或失敗造成的不良后果，提高任務執(zhí)行效率，拓展新的任務執(zhí)行方式，從而達到提高系統(tǒng)可靠性、改善任務執(zhí)行效果的目的。

 

       多UAV協(xié)同工作的優(yōu)勢主要來源于信息融合和資源互補兩個方面。在多機并行執(zhí)行任務的過程中，每架無人機收集到的信息都是其各自位置上的局部信息，無人機群眾所有成員的信息又組合成一個信息模型，提供給鞠策系統(tǒng)進行多機系統(tǒng)內的任務分工和調度，以提高任務的執(zhí)行效率；且當某個成員失效時，能及時更新系統(tǒng)信息，動態(tài)調整系統(tǒng)成員間的執(zhí)行效果，從而提高系統(tǒng)的可靠性和容錯性；受單機能力和任務要求的限制，需要多架無人機共同完成某項任務，或者多機相互配合，以滿足任務的時間、空間與指標優(yōu)化等要求，達到資源和功能互補的效果，如對同一個目標依序執(zhí)行確認、攻擊和毀傷評估任務，對同一個執(zhí)行同時性的多角度跟蹤任務等。

 

       要指派多架UAV協(xié)同執(zhí)行一項任務，提高任務的效能，就離不開合理高效的協(xié)同控制手段，必須對多機系統(tǒng)進行合理的協(xié)同任務規(guī)劃。它是對多無人機UAV協(xié)同執(zhí)行任務進行研究的核心，設計控制理論、運籌學、決策理論、圖論、信息論、系統(tǒng)論、計算機科學、榮恭智能、通信理論等多個學科領域。

 

       在實際任務的執(zhí)行中、受UAV、任務要求和環(huán)境因素等的影響與制約，對多UAV進行協(xié)同控制是一個極其復雜、極具挑戰(zhàn)性的過程，其復雜性主要體現(xiàn)在：

       （1）任務環(huán)境的復雜性：復雜的對抗性的動態(tài)環(huán)境，可能包含著多種既有的和突發(fā)的威脅、障礙、極端天氣等，而且UAV與系統(tǒng)可能無法獲知或無法及時獲知環(huán)境的全局信息及其變化；

       （2）多無人機系統(tǒng)成員間的差異：UAV數(shù)量以及不同UAV間的運動學動力學特性、功能差異、信息收集與處理和通信能力的差異，而且無人機可能在任務執(zhí)行過程中失效等；

       （3）任務需求的復雜性：不同的任務具有不同的要求，其在作戰(zhàn)目標、時序約束、時間沒感性約束、任務間耦合約束、任務指標等各個方面均可能存在著差異，而且作戰(zhàn)目標還可能存在著不確定性，如移動目標、目標參數(shù)不確定等問題；

       （4）計算復雜性：在進行協(xié)同任務規(guī)劃問題研究時，不可避免的會碰到一個NP難題，即隨著問題規(guī)模的線性增長，如無人機數(shù)量、目標數(shù)量等，問題的解空間呈指數(shù)級的爆炸式擴張，當問題規(guī)模增大時，從這個龐大的解空間中找到最優(yōu)解需要耗費大量的計算，非常困難。當任務的實時性要求較高時，這個矛盾會更突出，甚至會直接以你選哪個協(xié)同任務的執(zhí)行效果；

       （5）通信約束的復雜性：任務環(huán)境的復雜多變就必然會對UAV機群的通信網(wǎng)絡造成影響，如通信拓撲結構變化、寬帶受限、通信干擾、通信延時等，甚至可能會出現(xiàn)虛假通信等問題，在考慮到UAV本身的通信設備性能限制，如通信距離和寬帶等，以及某些任務可能會要求通信盡可能的少，這極大的增加了多機協(xié)同問題的復雜程度。

 

       在上述復雜性的共同作用下，多無人機協(xié)同任務規(guī)劃問題就編程了一個極其復雜的問題，對該問題進行建模與求解的難度也大大增加。作為無人機技術發(fā)展的一個重要趨勢，多UAV協(xié)同控制方面的研究方向收到了美國軍方的極大重視，已經(jīng)被美國空軍研究局列為六大基礎研究課題①之一，也成為學術界的研究熱點之一。

       注① ：美國空軍研究局六大基礎研究課題：1）靈感來自生物的概念；2）協(xié)同控制；3）等離子體動力學；4）太空微型科學；5）量子計算；6）用于可支付得起的新型系統(tǒng)的材料工程學。

 

       國外研究現(xiàn)狀

 

       為探索多無人機協(xié)同工作的理論與實現(xiàn)機理，國外已經(jīng)開展了大量相關的研究項目。其中具有代表性的是美國國防部高級研究計劃局（DARPA）牽頭的自治編隊混合主動控制項目（Mixed Initiative Control of Automata-teams，MICA②）、廣域搜索彈藥項目（Wide Area Search Munitions，WASM）和歐洲信息社會技術計劃（Information Society Technologies，IST）資助的異構無人能及群實時協(xié)同與控制項目（Real-time Coordination and Control of Multiple Heterogeneous UAVs，COMETS③）等。

 

 

       注② ：ＭＩＣＡ 項目的目標是，在減少操作員人為干預的前提下提升無人機的自主與協(xié)同控制能力，涉及的研究內容包括無人機自主協(xié)同作戰(zhàn)的分層控制結構、多無人機自主編隊控制方法和無人機協(xié)同作戰(zhàn)的建模與仿真技術等，參與研究的機構包括加州大學伯克利分校、麻省理工學院（ ＭＩＴ ） 以及霍尼韋爾公司（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ）等。

 

       注③ ：歐洲COMETS項目是一個多國合作的民用研究項目，其研究對象是一個由包括無人直升機和無人飛艇在內的多平臺異構無人機群組成的協(xié)同探測與監(jiān)視系統(tǒng)，研究目標是為該異構多UAV設計和實現(xiàn)分布式實時控制系統(tǒng)，集成分布式感知與實時圖像處理等技術，并在森林火災監(jiān)視任務中對系統(tǒng)的關鍵技術進行演示驗證。該項目的相關結果已經(jīng)陳列在其官方網(wǎng)站上http://www.comets-uavs.org/），最終成果也已經(jīng)集中出版。