吳超宇

摘要：近些年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)的與傳感器的發(fā)展，無(wú)人機(jī)遙感取得了迅猛的發(fā)展與廣泛的應(yīng)用， 已經(jīng)成為新的研究熱點(diǎn)。但是由于無(wú)人機(jī)自身的局限，限制了傳感器的尺寸與性能。因此可將無(wú)人機(jī)集群技術(shù)應(yīng)用于無(wú)人機(jī)遙感中，通過(guò)集群行為提高無(wú)人機(jī)遙感的觀測(cè)能力。本文詳細(xì)闡述了無(wú)人機(jī)集群的發(fā)展現(xiàn)狀，指明了無(wú)人機(jī)集群遙感觀測(cè)的關(guān)鍵問(wèn)題：無(wú)人機(jī)集群遙感觀測(cè)任務(wù)規(guī)劃，無(wú)人機(jī)集群控制、無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)，遙感數(shù)據(jù)處理，并對(duì)這些問(wèn)題的研究方法及現(xiàn)有問(wèn)題進(jìn)行了分析。最后，展望了無(wú)人機(jī)集群遙感觀測(cè)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)遙感;集群;規(guī)劃;控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TN924+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）04-0205-03

1 無(wú)人機(jī)遙感觀測(cè)

無(wú)人機(jī)的定義為“不載乘任何操作人員，利用空氣動(dòng)力進(jìn)行飛行，能夠自主或遠(yuǎn)程領(lǐng)航控制，可擴(kuò)展和回收并可攜帶有效載荷的無(wú)人飛行平臺(tái)”[1]。

無(wú)人機(jī)遙感觀測(cè)指將無(wú)人機(jī)作為平臺(tái)，攜帶遙感觀測(cè)載荷，如相機(jī)，雷達(dá)，激光成像儀等，通過(guò)遙感信息回傳技術(shù)獲取高分辨率的觀測(cè)數(shù)據(jù)[2]。傳統(tǒng)遙感觀測(cè)主要通過(guò)衛(wèi)星或是載人飛機(jī)完成，相對(duì)于衛(wèi)星而言，無(wú)人機(jī)遙感觀測(cè)避免受云層干擾的現(xiàn)象，相對(duì)于有人機(jī)而言，無(wú)人機(jī)遙感觀測(cè)可以克服有人機(jī)對(duì)起降地點(diǎn)，天氣等要求高的缺點(diǎn)，輕便靈活，因而具有更為廣闊的應(yīng)用前景。

無(wú)人機(jī)遙感可分為無(wú)人機(jī)系統(tǒng)和遙感傳感器兩部分。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)主要包括無(wú)人機(jī)機(jī)體，飛控系統(tǒng)和地面站三部分。機(jī)體部分可搭載不同的載荷以完成遙感任務(wù)。飛控系統(tǒng)通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)自身數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，與地面進(jìn)行互動(dòng)，控制無(wú)人機(jī)完成給定的飛行任務(wù)。地面站主要負(fù)責(zé)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)的監(jiān)控和控制命令的下達(dá)。遙感傳感器主要為無(wú)人機(jī)攜帶的各種光電載荷，根據(jù)觀測(cè)任務(wù)搭配不同的光電載荷。

2 無(wú)人機(jī)集群

無(wú)人機(jī)集群是目前無(wú)人機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要方向。該方法的產(chǎn)生來(lái)自于對(duì)自然界生物集群現(xiàn)象的研究。在自然界我們可以看到大量生物集群的現(xiàn)象，如魚(yú)群，蟻群，蜂群，這些生物集群都存在一定的共同點(diǎn)，即個(gè)體行為簡(jiǎn)單，通過(guò)一定簡(jiǎn)單的群體規(guī)律形成群體行為，完成一些復(fù)雜的任務(wù)。如蟻群中，每個(gè)螞蟻的能力非常弱，行為也非常簡(jiǎn)單，但是通過(guò)信息素的揮發(fā)，群體能夠?qū)ふ业降竭_(dá)食物的最短距離，從而完成覓食行為[3]。對(duì)無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，當(dāng)單個(gè)無(wú)人機(jī)能力有限，難以完成復(fù)雜的任務(wù)時(shí)，可以通過(guò)一定的規(guī)則對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行控制，使其按照一定約束條件的智能化的無(wú)人機(jī)編成群組，通過(guò)生物仿真計(jì)算模擬生物集群行為策略，按照去中心化方式實(shí)施管理，實(shí)現(xiàn)高度智能自主協(xié)同作戰(zhàn)活動(dòng)。

3 無(wú)人機(jī)集群遙感觀測(cè)

近些年來(lái)無(wú)人機(jī)平臺(tái)的發(fā)展取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，各種性能更為優(yōu)異的無(wú)人機(jī)被研制出來(lái)，遙感載荷也不斷向著精度高、靈敏度高的方向發(fā)展。但是，無(wú)人機(jī)自身尺寸與載重量對(duì)遙感載荷作出了限制。由于無(wú)人機(jī)的小型化，輕便化，導(dǎo)致無(wú)人能攜帶的載荷質(zhì)量小，體積小，這對(duì)無(wú)人攜帶的遙感載荷提出了一定的尺寸要求，無(wú)人機(jī)難以攜帶一些體積較大，質(zhì)量較重的遙感載荷，這就限制了無(wú)人機(jī)遙感的觀測(cè)精度以及觀測(cè)范圍[4]?；诖?，提出無(wú)人機(jī)集群遙感觀測(cè)的想法，通過(guò)多架無(wú)人機(jī)攜帶相同的遙感載荷來(lái)增大無(wú)人機(jī)遙感的觀測(cè)范圍，通過(guò)無(wú)人機(jī)攜帶不同遙感載荷相互配合來(lái)提高無(wú)人機(jī)遙感的觀測(cè)精度。

4 無(wú)人機(jī)集群遙感觀測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 無(wú)人機(jī)集群遙感觀測(cè)任務(wù)規(guī)劃

相比于單無(wú)人機(jī)遙感觀測(cè)預(yù)規(guī)劃來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)集群遙感觀測(cè)預(yù)規(guī)劃從任務(wù)的深度與廣度，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)量都有了較大增長(zhǎng)，無(wú)人機(jī)怎么飛？分散還是集中？觀測(cè)哪些區(qū)域？路徑如何？這些問(wèn)題都需要在無(wú)人機(jī)集群在執(zhí)行遙感觀測(cè)任務(wù)之前規(guī)劃完成。任務(wù)規(guī)劃是整個(gè)無(wú)人機(jī)集群遙感觀測(cè)必須解決的問(wèn)題，可分為任務(wù)分配和航跡規(guī)劃兩步：

4.1.1 任務(wù)分配

任務(wù)分配是無(wú)人機(jī)集群遙感觀測(cè)時(shí)一個(gè)必要決策。對(duì)無(wú)人機(jī)集群進(jìn)行任務(wù)分配時(shí)，需要對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)量、性能、遙感載荷類(lèi)型及觀測(cè)距離精度、任務(wù)類(lèi)型、天氣以及地形進(jìn)行分析。因此，無(wú)人機(jī)集群遙感觀測(cè)任務(wù)分配問(wèn)題可視為多約束條件下的最優(yōu)化問(wèn)題[5]。合理的建立任務(wù)分配模型，構(gòu)造優(yōu)化函數(shù)與約束條件，選取合理的算法求解是該問(wèn)題的一般解決方法。目前有不少論文對(duì)無(wú)人機(jī)集群遙感觀測(cè)任務(wù)分配進(jìn)行了求解，求解方法主要分為3類(lèi)，群智能算法，數(shù)學(xué)規(guī)劃算法和協(xié)商法。

4.1.2 航跡規(guī)劃

對(duì)單無(wú)人機(jī)遙感觀測(cè)，航跡規(guī)劃是其執(zhí)行任務(wù)必須完成的一步，同樣，對(duì)于無(wú)人機(jī)集群遙感觀測(cè)，航跡規(guī)劃仍是執(zhí)行任務(wù)的關(guān)鍵問(wèn)題，而且相對(duì)于單無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃，無(wú)人機(jī)集群航跡規(guī)劃還需要考慮各個(gè)無(wú)人機(jī)之間避撞，所以該問(wèn)題更為復(fù)雜[6]。無(wú)人機(jī)集群航跡規(guī)劃的算法同樣可以分為三類(lèi)：一種是通過(guò)單無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃演化而來(lái)的算法，一種是通過(guò)路徑優(yōu)化方法進(jìn)行的無(wú)人機(jī)集群航跡規(guī)劃，第三種是群智能算法。

4.2 無(wú)人機(jī)冗余容錯(cuò)集群控制

在大型系統(tǒng)中，每個(gè)組件都被設(shè)計(jì)來(lái)完成一個(gè)特定的功能，并且只有當(dāng)所有的組件都正常運(yùn)行時(shí)才能產(chǎn)生令人滿意的效果。因此，單個(gè)組件故障通常都會(huì)影響系統(tǒng)的整體性能，產(chǎn)生不可控的后果甚至無(wú)法運(yùn)行。為了避免發(fā)生故障造成的損傷及其帶來(lái)的工程應(yīng)用損失，要求系統(tǒng)具有對(duì)故障自動(dòng)處理的能力，即容錯(cuò)能力?？刂葡到y(tǒng)對(duì)故障的方法有：（1）容錯(cuò)控制設(shè)計(jì);（2）乘性故障基礎(chǔ)上的參數(shù)估計(jì)技術(shù)鑒定;（3）利用函數(shù)逼近法設(shè)計(jì)控制律和自適應(yīng)律;（4）利用殘差技術(shù)的故障檢測(cè);（5）其它的設(shè)計(jì)和分析技術(shù)。如圖1即是冗余容錯(cuò)系統(tǒng)的基本體系。

集群控制也是無(wú)人機(jī)集群遙感觀測(cè)必須解決的問(wèn)題。當(dāng)多架無(wú)人機(jī)同時(shí)飛行時(shí)，如何控制整個(gè)群體是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，主要有三種控制方式：（1）對(duì)每一架無(wú)人機(jī)單獨(dú)進(jìn)行控制;（2）無(wú)人機(jī)形成編隊(duì)后對(duì)編隊(duì)進(jìn)行控制;（3）仿照生物行為的控制，即設(shè)置控制器，使得無(wú)人機(jī)自行確定自身行為。

無(wú)人機(jī)集群形成編隊(duì)后對(duì)編隊(duì)進(jìn)行控制是一種相對(duì)簡(jiǎn)單的控制方法。對(duì)于無(wú)人機(jī)編隊(duì)控制主要考慮三大過(guò)程，即無(wú)人機(jī)編隊(duì)集結(jié)，隊(duì)形保持，編隊(duì)重構(gòu)三個(gè)過(guò)程[7]。編隊(duì)集結(jié)是無(wú)人機(jī)集群由雜亂向著有序發(fā)展的過(guò)程，在編隊(duì)集結(jié)過(guò)程中主要考慮外部避障，無(wú)人機(jī)內(nèi)部之間避障，無(wú)人機(jī)自身性能限制，無(wú)人機(jī)之間的通信以及效率等問(wèn)題。隊(duì)形保持是無(wú)人機(jī)集群執(zhí)行任務(wù)時(shí)的狀態(tài)，無(wú)人機(jī)以既定順序排列，可提高無(wú)人機(jī)集群遙感觀測(cè)的效率。隊(duì)形保持主要需要考慮外部避撞，編隊(duì)內(nèi)通信保障，無(wú)人機(jī)之間氣動(dòng)影響等問(wèn)題。編隊(duì)重構(gòu)是無(wú)人機(jī)集群狀態(tài)的變換過(guò)程，一般情況下，無(wú)人機(jī)集群很難以一種狀態(tài)完成整個(gè)任務(wù)，需要改變隊(duì)形以適應(yīng)不同的遙感觀測(cè)任務(wù)，或是編隊(duì)中存在無(wú)人機(jī)損失的情況下，都需要進(jìn)行編隊(duì)重構(gòu)。這個(gè)過(guò)程中考慮的因素與編隊(duì)集結(jié)過(guò)程中相同。無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)控制主要的方法有領(lǐng)航-跟隨者法[8]，基于一致性理論方法，人工勢(shì)場(chǎng)法[9]等。領(lǐng)航-跟隨者法是編隊(duì)控制最常用的方法，而且經(jīng)常與其他方法相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)控制。該方法在無(wú)人機(jī)群體中選取一架無(wú)人機(jī)作為領(lǐng)航者，給定預(yù)設(shè)航跡，跟隨無(wú)人機(jī)需要獲取領(lǐng)航無(wú)人機(jī)的狀態(tài)參數(shù)，調(diào)整姿態(tài)。這種控制方式大大減少了無(wú)人機(jī)控制的工作量。對(duì)無(wú)人機(jī)集群遙感觀測(cè)來(lái)講，運(yùn)用這種方法進(jìn)行集群的控制較為可靠。

4.3 無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)

無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)即無(wú)人機(jī)之間的通信不依賴(lài)與地面控制站或衛(wèi)星等基礎(chǔ)通訊設(shè)備，而是將無(wú)人機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)之間能夠相互轉(zhuǎn)發(fā)控制指令，交換感知態(tài)勢(shì)，健康情況等數(shù)據(jù)，自動(dòng)連接建立起一個(gè)無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)[10]。無(wú)人機(jī)集群飛行過(guò)程中，無(wú)人機(jī)需要實(shí)時(shí)與地面保持通信，同時(shí)無(wú)人機(jī)為了避免撞擊，或者保持編隊(duì)，需要對(duì)獲取周?chē)鸁o(wú)人機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)以及領(lǐng)航無(wú)人機(jī)的信息。建立無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)是保證無(wú)人機(jī)集群能夠正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)的應(yīng)用首先可以提高無(wú)人機(jī)集群的擴(kuò)展性。如果無(wú)人機(jī)之間不能形成通信網(wǎng)絡(luò)，無(wú)人機(jī)集群的控制方式只能是每架無(wú)人機(jī)單獨(dú)控制，這種方法只能應(yīng)用于無(wú)人機(jī)數(shù)量較少的集群，當(dāng)無(wú)人機(jī)數(shù)量較大時(shí)，該方法難以保證有足夠的人力物力來(lái)支撐。通過(guò)無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)，無(wú)人機(jī)之間能夠交換信息，可通過(guò)無(wú)人機(jī)編隊(duì)或是生物集群控制方法實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的控制。同時(shí)無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)擴(kuò)大了無(wú)人機(jī)集群遙感觀測(cè)范圍。若無(wú)人機(jī)僅能與地面設(shè)施建立通信鏈路，無(wú)人機(jī)的使用范圍被局限在地面設(shè)施的覆蓋范圍內(nèi)，而通過(guò)無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)，無(wú)人機(jī)集群中可有部分無(wú)人機(jī)作為通信中繼無(wú)人機(jī)，其他無(wú)人機(jī)可通過(guò)與中繼無(wú)人機(jī)保持通信來(lái)獲取信息[11]。無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)還可以避免干擾提高通信可靠性。傳統(tǒng)通信方式下，地面基礎(chǔ)設(shè)施的信號(hào)容易被山峰，建筑物等障礙物影響[12]，而無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)具有自愈性，可以通過(guò)與其他無(wú)人機(jī)通信來(lái)解決部分節(jié)點(diǎn)通信受阻的問(wèn)題。

無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)針對(duì)節(jié)點(diǎn)的快速移動(dòng)的特性，對(duì)組網(wǎng)的MAC協(xié)議，路由協(xié)議等均造成了較大難度。目前，針對(duì)無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)MAC協(xié)議，有研究提出了基于競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)的MAC協(xié)議和基于調(diào)度類(lèi)的MAC協(xié)議兩類(lèi)。無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)路由協(xié)議主要包括五類(lèi)：靜態(tài)路由，先應(yīng)路由，反應(yīng)路由，混合路由和基于地理位置的路由。各種路由協(xié)議各有優(yōu)勢(shì)，需要依靠使用環(huán)境進(jìn)行選擇并加以改進(jìn)研究。但是目前MAC協(xié)議和路由協(xié)議的設(shè)計(jì)方法并不完善，不能完全解決無(wú)人機(jī)高速移動(dòng)導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定問(wèn)題[13]。

5 結(jié)語(yǔ)

作為未來(lái)無(wú)人機(jī)的一個(gè)重要發(fā)展方向，無(wú)人機(jī)集群必將擁有廣闊的應(yīng)用前景，而無(wú)人機(jī)集群遙感觀測(cè)也將成為無(wú)人機(jī)遙感的一種重要應(yīng)用方式。本文指出目前無(wú)人機(jī)集群遙感觀測(cè)的實(shí)現(xiàn)需要解決的四大問(wèn)題：無(wú)人機(jī)集群遙感觀測(cè)任務(wù)規(guī)劃、無(wú)人機(jī)集群控制、無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)以及遙感大數(shù)據(jù)處理。目前無(wú)人機(jī)集群任務(wù)規(guī)劃已有了較多成果，主要解決方法分為三類(lèi)：群智能算法、協(xié)商法以及數(shù)學(xué)規(guī)劃算法，但是目前對(duì)于無(wú)人機(jī)集群任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題的研究多數(shù)處于理論層面，距離走向工程實(shí)際還有一定的距離;對(duì)于無(wú)人機(jī)集群控制，已經(jīng)進(jìn)行了較多研究，主要方法分為3類(lèi)：對(duì)單個(gè)無(wú)人機(jī)進(jìn)行控制、無(wú)人機(jī)形成編隊(duì)進(jìn)行編隊(duì)控制和仿照生物集群行為對(duì)無(wú)人機(jī)集群進(jìn)行控制，單獨(dú)控制的方法需要耗費(fèi)較大的人力，實(shí)用性較低，編隊(duì)的方法是目前常用的控制方法，技術(shù)相對(duì)成熟，仿照生物集群行為對(duì)無(wú)人機(jī)集群進(jìn)行控制是無(wú)人機(jī)集群控制發(fā)展的方向，可簡(jiǎn)單解決大量無(wú)人機(jī)潔群控制的問(wèn)題，目前還在理論研究過(guò)程中; 而無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)技術(shù)是擴(kuò)大無(wú)人機(jī)集群觀測(cè)范圍的關(guān)鍵步驟，但是目前仍不能解決無(wú)人機(jī)高速移動(dòng)導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定問(wèn)題;在無(wú)人機(jī)集群遙感觀測(cè)的情況下，遙感數(shù)據(jù)必將大量增加，呈現(xiàn)大數(shù)據(jù)的特征，而目前遙感大數(shù)據(jù)處理技術(shù)并不成熟，在信息的深度融合，機(jī)器學(xué)習(xí)，分析平臺(tái)的研究等方面仍存在很大的缺口。綜上，無(wú)人機(jī)集群遙感觀測(cè)想要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用仍有很長(zhǎng)的一段路要走。

參考文獻(xiàn)

[1] Defense O. Unmanned aircraft systems （UAS） roadmap 2005-2030 [M]. Defense Technical Information Center，2005.

[2] 金偉，葛宏立，杜華強(qiáng)，等.無(wú)人機(jī)遙感發(fā)展與應(yīng)用概況[J].遙感信息，2009（1）：88-92.

[3] 段海濱，孫昌浩，史玉回.群體智能研究進(jìn)展[J].中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)通訊，2013，34（3）：65-74.

[4] 劉倩，梁志海，范慧芳.淺談無(wú)人機(jī)遙感的發(fā)展及其行業(yè)應(yīng)用[J].測(cè)繪與空間地理信息，2016，39（6）：167-169.

[5] 孫小雷，齊乃明，董程，等.無(wú)人機(jī)任務(wù)分配與航跡規(guī)劃協(xié)同控制方法[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2015，（12）：2772-2776.

[6] Tsourdos A， White B，Shanmugavel? M.Cooperative path planning of unmanned aerial vehicles [M].John Wiley & Sons，2010.

[7] 張晉武.無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行技術(shù)研究[J].艦船電子工程，2015（8）：9-12.

[8] Desai J P，Ostrowski J.Controlling formations of multiple mobile robots[C].IEEE International Conference on Robotics and Automation.Leuven： IEEE Press，1998：2864-2869.

[9] 朱旭，閆茂德，張昌利，等.基于改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)的無(wú)人機(jī)編隊(duì)防碰撞控制方法[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，38（6）：961-968.

[10] 鄒玉龍，姜曉，嚴(yán)培舜，等.下一代無(wú)人機(jī)群協(xié)同通信網(wǎng)絡(luò)[J].南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，37（3）：43-51.

[11] 鄒玉龍，姜曉，嚴(yán)培舜，等.下一代無(wú)人機(jī)群協(xié)同通信網(wǎng)絡(luò)[J].南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，（3）：43-51.

[12] 呂思運(yùn).天地一體化網(wǎng)絡(luò)中無(wú)人機(jī)通信鏈路選擇策略研究[J].軟件，2016，37（9）：109-114.

[13] 卓琨，張衡陽(yáng)，鄭博，等.無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)研究進(jìn)展綜述[J].電信科學(xué)，2015，31（4）：128-138.