3.4 无人机集群移动Ad Hoc网络技术

 

       Ad Hoc网是一种多跳的、无中心的、自组织无线网络，又称为多跳网（Multi-Hop Network）、自组织网（Self-Organizing Network）。网络中没有固定的节点，每个节点都是活动的，并且随机地与其他节点保持联系。每一个节点又能作为一个路由器，能发现、连接、维持其他节点路由的功能。

 

       国外无人机集群Ad Hoc网络研究处于初级阶段，国内的研究较少，目前无人机集群通信网主要是采用基站或无人机集群地面站对无人机实施控制。未来无人机集群网络的基础是移动Ad Hoc网络，它能够根据无人机集群的实际需要快速扩大和缩小，网络结构具有高的灵活性、扩展性和抗毁性。

 

       4 无人机集群技术研究现状

 

       随着人工智能的发展，特别是智能化无人机技术的发展，无人机集群系统将越来越复杂但也越来越智能。在数量上，无人机集群已从简单的多机协同发展到成百上千架无人机协同。军事上，无人机集群系统从简单的执行侦察任务到完成复杂情况下的察打一体任务。在集群无人机编队情况看，无人机集群已从简单的长机、僚机的交互协同模式，发展到根据任务发展变化自组织编队的自主协同。在人机交互方面，无人机集群正向人机智能交互发展。

       4.1 人工智能推动仿生智能无人机集群

 

       在国发[2017]35号《新一代人工智能发展规划》中指出开展群体智能基础理论研究，研究群体智能结构理论与组织方法、群体智能激励机制与涌现机理、群体智能学习理论与方法、群体智能通用计算范式与模型。2017年12月，在我国工业和信息化部发布的《促进新一代人工智能产业发展三年行动计划（2018-2020）》中指出积极培育人工智能创新产品，促进人工智能技术的产业化，将无人机列为八大重点培育产品，并开展无人机智能飞控系统等研制。基于人工智能设计无人机集群分布式控制框架，使得系统中的无人机仅在局部感知能力下，通过集群数据链技术，同其他无人机组建自组织智能交互网络，并在外界环境触发作用下，实现复杂的行为模式，具备学习能力，在群体层面涌现出智能。

 

       通过对自然界中的蚂蚁、鸟类、狼群等群居性生物研究，发现其具有高度集中协调一致的特点，表现为集群智能。目前对群集生物中的自组织性、自修复等的群体智能研究还在理论研究阶段，未来将生物的群集智能特性应用于无人机集群控制当中，将会使集群无人机具备仿生智能。

 

       4.2 有人机与无人机共融集群

 

       由于现阶段无人机的感知系统、运算处理系统、决策系统智能化程度不高，不能在复杂的环境下自主完成各种任务。因此，采用有人机与无人机组成共融无人机集群完成任务，既能很好发挥有人机运算能力和人的决策处理突发事件能力，又能充分发挥无人机机动性强，隐身性好的优势，共融无人机集群将成为无人机集群的发展趋势。2016年，美国空军发布《小型无人机系统飞行规划2016-2036》，其强调了有人机与无人机的集群共融作战，并针对“忠诚僚机”集群作战进行了说明，就是发展有人机与无人机集群编队作战。在《新一代人工智能发展规划》中也多次提到“人机协同”，并把人机共融协同作为发展新一代人工智能关键共性技术体系的重点任务之一。中国工程院院士王天然提出“下一代机器人将实现人机共融”。由此可见，未来无人机集群的发展方向之一将是有人机与无人机的共融集群。

 

       4.3 5G网联无人机集群

 

       据无人机行业有关预测，未来5年全球无人机市场的价值空间在705亿美元，涵盖世界各国和各个运用领域。但是无人机产业的发展存在空域、数据链等痛点，无人机飞行的空域可以通过政府出台相关政策予以解决。无人机产业数据链痛点同样也是无人机集群发展的壁垒。随着5G技术的发展与成熟，未来5G网联无人机能够利用5G网络地面、低空立体覆盖、传输速度快，数据低延迟等优点解决数据链痛点，能够实时监测任何一架无人机的运行状况。5G网联无人机集群势必使无人机集群的编队与编队重构、任务协同、异构无人机的协同、人机协同等无人机集群的优点发挥到极致。5G网联无人机将助推无人机集群技术的发展。

 

       4.4 基于视觉的无人机集群

 

       自然界中的生物感知外界物体的大小、形状、明暗、颜色、空间位置、距离等重要信息，80%以上的信息是通过视觉功能获取的。基于深度学习技术的视觉感知在机器人、无人机等智能体上的应用已非常广泛且日趋成熟，特别是基于视觉的导航与避障技术的研究，实现了无人机在没有GPS或GPS信号弱的情况下实现导航和避障。随着单无人机通过视觉控制技术的成熟，使无人机集群能够利用立体视觉技术进行信息获取与交互、集群任务协同、集群编队与队形变换，完成复杂条件下目标识别判断与精准任务成为可能。

 

       4.5 未来无人机集群应用

 

       随着无人机技术的发展与产业化应用以及军民融合战略，未来我国无人机集群的应用将更加广泛。

 

       在农业植保上，无人机喷洒农药是人工喷洒效率的30倍，并且具有安全、防治效果好、成本低，并且不受地理环境限制等优势。我国有将近20亿亩耕地，现阶段95%以上耕地的植保还是人工加手动、电动机械喷雾机的方式进行植保作业。据有关预测显示，假如有20%的耕地采用无人机集群进行植保，需求量在20万架，其市场规模在100亿以上。随着无人机自主化水平的提高，以及植保无人机飞行算法的优化、服务质量的提高，未来在植保领域，无人机集群应用市场将大有可为。

 

       在航空测绘方面，采用无人机集群进行测绘作业能从多角度同时完成测绘，加上智能算法，就可以清晰地得到被测绘区域的三维图像，并生成相应的三维模型，比采用单机测绘作业的效果更好。与传统卫星测绘相比较，测绘的分辨率更高，加之无人机操作灵活，不受场地限制，测绘作业的局限性更小、通用性更强，可以完成全天候测绘任务。

 

       在警用反恐、执法等领域，警用集群无人机将成为公安机关的必备工具。如在处理突发事件时，使用警用无人机集群可快速收集突发事件现场数据，并将现场的视频、音频信息传送到警察指挥中心，同时能够跟踪事件的发展态势，利用深度学习算法进行判断、决策、处置。

 

       在抢险救灾方面，尤其在危化品救援现场，灭火救援消防人员不能靠的太近，消防无人机集群携带针对性专用灭火剂可代替人进行危化品的灭火救援；携带环境感知器对火源火势、周边环境易燃易爆物等进行分析，还可携带通信装备在任务区作为通信中继，实时回传灾情数据。