王祥科，劉志宏，叢一睿，李杰，陳浩

國(guó)防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410073

在自然界中，為彌補(bǔ)個(gè)體能力的有限，諸多生物種群都能通過個(gè)體相互之間交流和合作呈現(xiàn)出某種群體行為，比如魚群的結(jié)群游弋、鳥群聚集遷徙以及螞蟻協(xié)同搬運(yùn)等。這些生物界的觀察激勵(lì)了研究人員深入探索集群系統(tǒng)群體行為的原理和模式，以期望實(shí)現(xiàn)僅通過系統(tǒng)內(nèi)局部的信息交換，使外部呈現(xiàn)出規(guī)則有序的協(xié)同行為的工作機(jī)制。受此激勵(lì)，人們希望開發(fā)像鳥群、魚群一樣自由集結(jié)可以執(zhí)行全局任務(wù)的無人機(jī)集群系統(tǒng)。

近年來，無人機(jī)集群因其潛在的巨大應(yīng)用價(jià)值得到快速發(fā)展。一般而言，集群借助無人機(jī)機(jī)間的局部交互實(shí)現(xiàn)機(jī)群的群體行為從而解決全局性的協(xié)同任務(wù)。無人機(jī)集群，能夠以分布方式完成大量單機(jī)系統(tǒng)無法完成，或者由群體更有效完成的任務(wù)。相比于旋翼無人機(jī)，固定翼無人機(jī)具有速度快、載重大、航程長(zhǎng)等特點(diǎn)，在執(zhí)行任務(wù)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。特別地，小型固定翼無人機(jī)由于具有體積小、成本低、易使用的優(yōu)點(diǎn)，是適宜于大規(guī)模集群使用的理想平臺(tái)[1]。

在此背景下，本文從集群系統(tǒng)內(nèi)涵、現(xiàn)有典型項(xiàng)目、關(guān)鍵技術(shù)3個(gè)角度出發(fā)，對(duì)國(guó)內(nèi)外小型固定翼無人機(jī)集群進(jìn)行了全面綜述。其中，在系統(tǒng)內(nèi)涵方面，在介紹無人機(jī)集群系統(tǒng)基本概念的基礎(chǔ)上，分析了無人機(jī)集群協(xié)同執(zhí)行任務(wù)的優(yōu)勢(shì)，并給出了其在軍民領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。在典型項(xiàng)目方面，從集群協(xié)同模式、指揮體系架構(gòu)、基礎(chǔ)性研究、集群驗(yàn)證4個(gè)視角總結(jié)現(xiàn)有典型項(xiàng)目。在關(guān)鍵技術(shù)方面，對(duì)體系架構(gòu)、通信組網(wǎng)、決策與規(guī)劃、飛機(jī)平臺(tái)、集群飛行、集群指控等核心要素進(jìn)行深度分析。此基礎(chǔ)上，展望了未來小型固定翼無人機(jī)集群的發(fā)展趨勢(shì)。具體而言，在給出無人機(jī)集群系統(tǒng)的概念和內(nèi)涵基礎(chǔ)上，本文的主要工作和貢獻(xiàn)包括：

1) 系統(tǒng)總結(jié)了無人機(jī)集群項(xiàng)目的研究現(xiàn)狀。采用自頂向下的方法，首次從集群協(xié)同模式探索、分布式指揮體系構(gòu)建、核心關(guān)鍵技術(shù)突破和集群驗(yàn)證等方面綜述了近年集群領(lǐng)域的代表性工作。

2) 從機(jī)載約束、數(shù)量規(guī)模、任務(wù)耦合、復(fù)雜動(dòng)力學(xué)等角度深入分析了固定翼無人機(jī)集群控制的挑戰(zhàn)。在此基礎(chǔ)上，按照集群協(xié)同的技術(shù)體系，分別綜述了體系架構(gòu)、通信與組網(wǎng)、決策與規(guī)劃、平臺(tái)系統(tǒng)、集群飛行、集群安全、集群指控等核心關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展。

3) 針對(duì)小型固定翼無人機(jī)特點(diǎn)和面臨的復(fù)雜環(huán)境任務(wù)需求，從群體智能牽引、多樣化任務(wù)導(dǎo)向、分布在線處理、意外事件響應(yīng)、低成本輕質(zhì)化特色和平行仿真手段等角度，系統(tǒng)展望了這一領(lǐng)域未來的發(fā)展趨勢(shì)。

1 無人機(jī)集群系統(tǒng)介紹

1.1 無人機(jī)集群系統(tǒng)基本概念

無人機(jī)集群是將大量無人機(jī)在開放體系架構(gòu)下綜合集成，以平臺(tái)間協(xié)同控制為基礎(chǔ)，以提升協(xié)同任務(wù)能力為目標(biāo)的分布式系統(tǒng)[1]。一般而言，集群中的無人機(jī)不具有全局信息，通過相鄰無人機(jī)間的交互，實(shí)現(xiàn)機(jī)群的群體行為，達(dá)到全局性協(xié)同目標(biāo)[2-4]。由于無人機(jī)集群行為是個(gè)體之間交互的結(jié)果，并不依賴于起主控作用的個(gè)體，因此集群系統(tǒng)通常具有魯棒性、規(guī)模彈性和靈活性[3-4]。

從生物集群，例如蟻群、蜂群等典型群體的特點(diǎn)出發(fā)，集群中的個(gè)體通常自主能力有限，但是群體通常具有3個(gè)典型特點(diǎn)：

1) 去中心化：系統(tǒng)沒有主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)，一旦集群中任何個(gè)體消失或喪失功能，整個(gè)群體依然有序地執(zhí)行任務(wù)。

2) 自主化：無人為操控，且所有個(gè)體觀察臨近個(gè)體狀態(tài)控制自身行為，但并不對(duì)任何其他個(gè)體產(chǎn)生直接控制作用。

3) 自治化：所有個(gè)體形成穩(wěn)定的集群結(jié)構(gòu)，一旦任何個(gè)體脫離群體或因任何原因改變?nèi)后w結(jié)構(gòu)，新集群結(jié)構(gòu)會(huì)快速形成并保持穩(wěn)定。

1.2 無人機(jī)集群協(xié)同執(zhí)行任務(wù)具有諸多優(yōu)勢(shì)

固定翼無人機(jī)集群協(xié)同執(zhí)行任務(wù)已經(jīng)成為無人機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用的重要發(fā)展趨勢(shì)。自20世紀(jì)90年代以來，無人機(jī)在軍民領(lǐng)域受到了空前的關(guān)注并得到了迅速發(fā)展。因響應(yīng)速度快、使用成本低、部署靈活等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，無人機(jī)被普遍認(rèn)為是未來信息化發(fā)展的重要平臺(tái)。但是，由于環(huán)境復(fù)雜性和任務(wù)多樣性，單無人機(jī)通常難以滿足很多實(shí)際任務(wù)需求，比如復(fù)雜惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，遮蔽物眾多的城市環(huán)境等，單無人機(jī)由于機(jī)載設(shè)備數(shù)量、感知視點(diǎn)及范圍受限等缺陷，通常難以執(zhí)行持續(xù)目標(biāo)跟蹤、全方位飽和攻擊等任務(wù)。故而，集群協(xié)同執(zhí)行任務(wù)逐漸成為趨勢(shì)。相比于單個(gè)無人機(jī)，擁有分布式特征的無人機(jī)集群在協(xié)同執(zhí)行任務(wù)方面具有諸多優(yōu)勢(shì)。具體而言：

1) 具有分布并行感知、計(jì)算和執(zhí)行能力，更好的容錯(cuò)性和魯棒性等。集群中的多架無人機(jī)可以通過異質(zhì)傳感器的互補(bǔ)搭配，實(shí)現(xiàn)傳感的并行響應(yīng)；可以通過執(zhí)行器分別執(zhí)行子任務(wù)，實(shí)現(xiàn)總?cè)蝿?wù)的分布執(zhí)行。當(dāng)部分無人機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，其他無人機(jī)可以替代它完成預(yù)定任務(wù)，使集群系統(tǒng)具有較高的容錯(cuò)性和魯棒性。比如，在使用集群執(zhí)行察打一體任務(wù)時(shí)，無人機(jī)集群可調(diào)整不同無人機(jī)攜帶的不同偵察設(shè)備(如光電吊艙、合成成徑雷達(dá)(SAR))的姿態(tài)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行全方位、多角度偵測(cè)，提高感知范圍和精度；可從多視角進(jìn)行態(tài)勢(shì)感知，比如重點(diǎn)區(qū)域/敏感目標(biāo)的三維實(shí)時(shí)重構(gòu)、隱藏/偽裝目標(biāo)的深度挖掘和學(xué)習(xí)分類等，獲取不完全甚至沖突的局部態(tài)勢(shì)信息；同時(shí)也可以對(duì)顯著目標(biāo)的異常行為進(jìn)行分析和預(yù)判，比如敵方人員是否準(zhǔn)備發(fā)動(dòng)襲擊、車輛/坦克是否集結(jié)進(jìn)入作戰(zhàn)準(zhǔn)備、導(dǎo)彈是否進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)、作戰(zhàn)飛機(jī)是否準(zhǔn)備起飛等；可從不同角度對(duì)同一高價(jià)值目標(biāo)同時(shí)發(fā)動(dòng)全方位飽和攻擊，提高殺傷力和命中率。當(dāng)由于自身故障或敵方攻擊造成的部分無人機(jī)損失時(shí)，集群系統(tǒng)可通過敏捷重組，確保對(duì)重點(diǎn)目標(biāo)的觀測(cè)或打擊效能不降級(jí)。

2) 可提升任務(wù)執(zhí)行能力，完成單機(jī)完成不好或者不能完成的任務(wù)。協(xié)作的無人集群系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)超過單個(gè)智能無人系統(tǒng)疊加的功能和效率，具備良好的包容性和擴(kuò)展性。在大地測(cè)量和氣象觀測(cè)等領(lǐng)域，無人機(jī)集群攜帶分布載荷可完成單機(jī)無法完成的多點(diǎn)測(cè)量任務(wù)；在環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，可組成移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)有效監(jiān)測(cè)大范圍的空氣質(zhì)量。在軍事領(lǐng)域，無人機(jī)集群可以形成點(diǎn)面結(jié)合、靈活分組的自主系統(tǒng)，完成單個(gè)大型人機(jī)無法完成的任務(wù)。比如執(zhí)行協(xié)同察打任務(wù)的無人機(jī)集群，部分無人機(jī)可以執(zhí)行未知區(qū)域搜索的任務(wù)，部分無人機(jī)可以執(zhí)行重點(diǎn)目標(biāo)跟蹤的任務(wù)，部分無人機(jī)可以執(zhí)行目標(biāo)打擊任務(wù)等；甚至可通過接力方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)穿越山洞等遮蔽環(huán)境目標(biāo)的持續(xù)跟蹤。

3) 具有更高的經(jīng)濟(jì)可承受性。通過合理的布局和協(xié)同控制，能夠使用分散式的低成本無人機(jī)集群系統(tǒng)代替成本高昂的單個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)更多的經(jīng)濟(jì)效益。基于小型化、集成化、模塊化的設(shè)計(jì)理念，和信息化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化的管理使用方式，可極大降低無人平臺(tái)的生產(chǎn)、運(yùn)輸、維護(hù)、保障、使用成本。1 000架規(guī)模的無人機(jī)集群系統(tǒng)，其成本將低于1顆偵察衛(wèi)星或1架有人機(jī)，但其綜合效能有望超越1顆偵察衛(wèi)星或1架有人機(jī)。

1.3 無人機(jī)集群在軍民領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用

面對(duì)日益復(fù)雜的任務(wù)環(huán)境，小型固定翼無人機(jī)集群的運(yùn)用越發(fā)廣泛。由多個(gè)無人機(jī)組成在任務(wù)上相互關(guān)聯(lián)的集群執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的樣式將成為未來軍民用領(lǐng)域中無人機(jī)使用的一種重要樣式，目前已在貨物遞送[5]、環(huán)境保護(hù)[6]、災(zāi)難響應(yīng)[7]、農(nóng)林作業(yè)[8]、森林防火[9]、安防巡邏[10]、目標(biāo)搜索與追蹤[11]等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

在民用領(lǐng)域，無人機(jī)集群在智能交通、物流運(yùn)輸、森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)、地質(zhì)災(zāi)害探測(cè)、農(nóng)業(yè)植保、國(guó)土資源監(jiān)測(cè)、對(duì)地觀測(cè)和遙感、高速公路管理、小區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)等場(chǎng)景中具備特有的優(yōu)勢(shì)。比如，在國(guó)土資源監(jiān)測(cè)中，無人機(jī)集群以協(xié)同模式同時(shí)對(duì)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控，可以很大程度上實(shí)現(xiàn)區(qū)域的同步監(jiān)控，增加有效覆蓋面積，節(jié)約執(zhí)行任務(wù)時(shí)間。

軍事領(lǐng)域中，無人機(jī)自主集群勢(shì)必成為未來作戰(zhàn)的主流趨勢(shì)。無人機(jī)集群將帶來作戰(zhàn)模式的顛覆性變革，可廣泛應(yīng)用于廣域搜索偵查監(jiān)視、邊境巡邏搜救、城市反恐維穩(wěn)等領(lǐng)域，并可衍生新的作戰(zhàn)模式，提升體系作戰(zhàn)效能。從2001年開始，美軍先后發(fā)布了8版無人機(jī)/無人系統(tǒng)路線圖，指導(dǎo)無人系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)和規(guī)劃發(fā)展。早在2005年，美軍國(guó)防部發(fā)布的《無人機(jī)系統(tǒng)路線圖2005—2030》將無人機(jī)自主控制等級(jí)分為1～10級(jí)，包括單機(jī)自主、多機(jī)自主、集群自主(分布式控制、群組戰(zhàn)略目標(biāo)、全自主集群)3個(gè)層面，并預(yù)計(jì)2025年后將具備全自主集群能力[12]。2016年5月，美國(guó)空軍發(fā)布了首份針對(duì)小型無人機(jī)系統(tǒng)(起飛重量低于600千克)的飛行規(guī)劃——《2016—2036年小型無人機(jī)系統(tǒng)飛行規(guī)劃》，從戰(zhàn)略層面肯定了小型無人機(jī)系統(tǒng)的前景和價(jià)值，并對(duì)集群作戰(zhàn)概念進(jìn)行了闡述[13]。

無人機(jī)集群因其典型優(yōu)勢(shì)，有望在未來戰(zhàn)場(chǎng)的協(xié)同探測(cè)、協(xié)同攻擊、干擾壓制等各方面發(fā)揮巨大作用，成為一支不可忽視的新質(zhì)力量。

在協(xié)同探測(cè)方面，無人機(jī)集群在戰(zhàn)場(chǎng)上可以協(xié)同執(zhí)行各種偵察、監(jiān)視任務(wù)，對(duì)某一軍事敏感區(qū)域?qū)嵭谐B(tài)化不間斷監(jiān)控，以全面獲取戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)和評(píng)估信息；在通信中繼、電子對(duì)抗、和欺騙迷惑等方面，無人機(jī)集群也具有更高的成功率。特別地，分布式的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使系統(tǒng)無中心脆弱點(diǎn)，損失部分平臺(tái)對(duì)集群整體任務(wù)能力的影響不大，抗毀性好；同時(shí)，損毀補(bǔ)充替換簡(jiǎn)便，系統(tǒng)維護(hù)成本低。

在協(xié)同攻擊方面，無人機(jī)集群攻擊可避免飛行員傷亡，并且成本可承受，這是完全不同于以往的一種新的“纏斗”方式。任何飛行器，不管是有人還是無人的，都可能被單個(gè)導(dǎo)彈打下來，但是無人機(jī)集群卻能夠承受多次打擊，繼續(xù)完成任務(wù)。無人機(jī)集群系統(tǒng)將迫使敵人形成了“大炮打蚊子”的作戰(zhàn)劣勢(shì)，即使部分無人機(jī)被對(duì)方摧毀，也不影響集群系統(tǒng)的整體作戰(zhàn)能力，通過隊(duì)形的重組和任務(wù)的重新分配，實(shí)現(xiàn)核心攻擊任務(wù)能力不降級(jí)。

在干擾壓制方面，無人機(jī)集群在攻防兩端顯著成本不對(duì)稱。集群中的無人機(jī)通常是典型“低小慢”目標(biāo)，易于躲避敵方雷達(dá)防空系統(tǒng)，但對(duì)無人機(jī)實(shí)施打擊卻通常需要?jiǎng)佑镁_打擊武器，如果敵方發(fā)動(dòng)飽和式攻擊，將耗盡其防御武器。以美軍“提康德羅加”級(jí)巡洋艦為例，該巡洋艦裝備了“宙斯盾”系統(tǒng)，最多可同時(shí)監(jiān)視空中240個(gè)目標(biāo)。如果無人機(jī)集群超過250個(gè)，同時(shí)又是一種“低小慢”的空中目標(biāo)，將導(dǎo)致其監(jiān)視能力達(dá)到飽和。因此，無人機(jī)集群系統(tǒng)可以“引誘式”耗盡對(duì)手的高價(jià)值攻擊武器，從而增加對(duì)手攻擊的相對(duì)成本，以規(guī)模優(yōu)勢(shì)給對(duì)方造成慘重的損失。又如，可以利用無人機(jī)集群搜索隱形戰(zhàn)斗機(jī)和導(dǎo)彈發(fā)射車引誘對(duì)方開機(jī)，讓可消耗的無人機(jī)“自殺式”打前陣，讓寶貴的有人機(jī)/有人車殿后，可能有助于在未來戰(zhàn)爭(zhēng)中減少人員和昂貴裝備損失。在過去，數(shù)量較少的極度昂貴的有人機(jī)是戰(zhàn)場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)配置，但是在未來的幾年中，大量便宜的、消耗性的無人機(jī)將廣泛地出現(xiàn)在戰(zhàn)場(chǎng)上。

2 典型項(xiàng)目研究現(xiàn)狀

近年來，無人機(jī)集群成為各國(guó)爭(zhēng)先研究的熱點(diǎn)，不斷有集群項(xiàng)目的突破性報(bào)道。本節(jié)從協(xié)同模式探索、分布式指揮體系、核心技術(shù)突破和集群驗(yàn)證等方面總結(jié)了近年的代表性工作。

2.1 創(chuàng)新協(xié)同理論，探索集群協(xié)同的模式

日益增多的無人機(jī)系統(tǒng)，勢(shì)必引起其使用模式的顛覆性變革。目前，美軍裝備的無人機(jī)數(shù)量已經(jīng)多于1萬架，超過了有人機(jī)的數(shù)量。如此眾多的無人機(jī)系統(tǒng)，如何最大效能的發(fā)揮作用？對(duì)此，集群使用的模式應(yīng)運(yùn)而生。正如二戰(zhàn)初期，坦克由分散到集中使用帶來了“閃電戰(zhàn)”革新，小型無人機(jī)的集群化應(yīng)用有可能會(huì)像坦克“閃電戰(zhàn)”一樣，形成新的顛覆性軍事能力。

為充分發(fā)揮集群數(shù)量和低成本優(yōu)勢(shì)，并融于現(xiàn)有體系，以美軍方為代表，人們探索了各種集群協(xié)同模式，并設(shè)計(jì)了大量作戰(zhàn)想定，從頂層指導(dǎo)無人機(jī)集群的發(fā)展。典型協(xié)同模式包括：無人機(jī)集群協(xié)同、無人機(jī)集群和有人機(jī)協(xié)同、和大型載具協(xié)同、以及和其他無人裝備的跨域協(xié)同等。

2.1.1 無人機(jī)集群協(xié)同

無人機(jī)集群協(xié)同是指采用大量(>10數(shù)量級(jí))低成本無人機(jī)平臺(tái)，以機(jī)間通信為基礎(chǔ)，以機(jī)間智能協(xié)同為核心，形成大規(guī)模的同構(gòu)集群系統(tǒng)。海軍研究生院在2012年發(fā)表了《無人機(jī)群攻擊：驅(qū)逐艦的防護(hù)系統(tǒng)選擇》[1]，為探討驅(qū)逐艦對(duì)無人機(jī)集群協(xié)同攻擊的防護(hù)問題，設(shè)計(jì)了小型固定翼無人機(jī)集群協(xié)同作戰(zhàn)的想定，見圖1。驅(qū)逐艦為“宙斯盾”系統(tǒng)，集成了干擾器、誘餌彈、“標(biāo)準(zhǔn)”系列面對(duì)空導(dǎo)彈、127 ms艦炮和2座“密集陣”近防武器系統(tǒng)；無人機(jī)集群由8架速度為250 km/h的無人機(jī)組成，部分自主飛行，部分受附近漁船遙控。

圖1 美海軍無人機(jī)集群攻擊驅(qū)逐艦想定[1]

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)這一作戰(zhàn)模式進(jìn)行了大量模擬仿真。500次蒙特卡羅仿真結(jié)果分析表明：平均約3.82架無人機(jī)能夠突破驅(qū)逐艦的防御系統(tǒng)；在電子干擾、雷達(dá)誘餌、煙霧彈等各類額外防護(hù)手段中，最有效的為增加2門近防炮進(jìn)行攔截，即使如此，平均約2.5架無人機(jī)擊中驅(qū)逐艦。該結(jié)果意味著：可以使用大量廉價(jià)的無人機(jī)攻擊嚴(yán)密防守的艦艇，這些無人機(jī)總成本僅與一枚導(dǎo)彈相當(dāng)，具有極高的效費(fèi)比。

2.1.2 無人機(jī)集群和有人機(jī)協(xié)同

無人機(jī)集群和有人機(jī)協(xié)同指的是將無人機(jī)集群和有人機(jī)一起混合編組，共同執(zhí)行任務(wù)。短期內(nèi)無人機(jī)的智能化水平難以達(dá)到有人平臺(tái)的程度；故而，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，無人平臺(tái)和有人平臺(tái)將相互補(bǔ)充，分工協(xié)作，共同完成復(fù)雜的作戰(zhàn)任務(wù)，形成顛覆性作戰(zhàn)能力[14]。為此，人們?cè)O(shè)計(jì)了各種無人機(jī)集群和有人機(jī)協(xié)同的作戰(zhàn)想定。其中典型想定為美國(guó)通用原子公司提出的“復(fù)仇者”(Avenger)無人機(jī)集群與 F-22 戰(zhàn)斗機(jī)協(xié)同對(duì)地攻擊概念[15](圖2)。想定中，4架F-22戰(zhàn)斗機(jī)和16架“復(fù)仇者”組成2個(gè)集群。F-22機(jī)組位于后端指揮支援，“復(fù)仇者”集群協(xié)同突防，摧毀敵地空導(dǎo)彈陣地。

圖2 通用原子“復(fù)仇者”集群與F-22協(xié)同對(duì)地攻擊[15]

2.1.3 無人機(jī)集群和大型載具協(xié)同

為解決無人機(jī)集群的快速/遠(yuǎn)距可達(dá)的問題，可以將無人機(jī)集群和各種大型載具協(xié)同。采用航母或者空中母機(jī)攜帶無人機(jī)集群抵達(dá)作戰(zhàn)區(qū)域，而后快速釋放無人機(jī)，形成威懾性作戰(zhàn)能力。比較典型的想定包括X-47B集群和航母的協(xié)同想定[16]，和國(guó)防部預(yù)先研究計(jì)劃局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)的空中航母計(jì)劃。

X-47B集群和航母協(xié)同想定：美軍構(gòu)想3艘航母組成打擊集群(CSG)，在絕對(duì)安全區(qū)域起飛30～40架隱身無人機(jī)，代替有人機(jī)對(duì)重點(diǎn)目標(biāo)分批次打擊，如圖3[16]所示。在6 019 km時(shí)，12架隱身無人機(jī)形成一個(gè)中隊(duì)出動(dòng)，重點(diǎn)打擊沿海區(qū)域的防空力量；接著，當(dāng)CSG行進(jìn)至距海岸3 241 km時(shí)，6架 無人機(jī)形成集群前出，降低反介入威脅，增加水面艦艇的安全性；最后，CSG行進(jìn)至距海岸926 km 時(shí)，7架無人作戰(zhàn)飛行系統(tǒng)(UCAS)形成集群防空壓制，CSG開始密集攻擊，此時(shí)，水面艦艇和有人駕駛戰(zhàn)斗機(jī)加人戰(zhàn)斗。該集群作戰(zhàn)構(gòu)想為航空母艦提供更強(qiáng)大的防區(qū)外攻擊能力，并增強(qiáng)海軍的前沿部署和持續(xù)作戰(zhàn)能力。特別需要指出的是，目前雖然X-47B無人機(jī)已經(jīng)轉(zhuǎn)化為空中加油機(jī)項(xiàng)目，但是以無人機(jī)集群代替有人機(jī)進(jìn)行第1波 次的攻擊，仍然是《無人系統(tǒng)路線圖》中的主要作戰(zhàn)模式之一。

圖3 X-47B集群和航母協(xié)同攻擊想定[16]

DARPA的“空中航母”構(gòu)想，如圖4所示：所謂“空中航母”就是保障無人機(jī)空中運(yùn)載、操作使用和任務(wù)控制的大型航空平臺(tái)。它能夠在飛行中釋放出無人機(jī)，對(duì)無人機(jī)的作戰(zhàn)運(yùn)用進(jìn)行控制，并對(duì)完成任務(wù)的無人機(jī)進(jìn)行回收、加油、掛彈和維修等保障作業(yè)。傳統(tǒng)空中作戰(zhàn)任務(wù)大都采用大型有人機(jī)完成，但存在犧牲飛行員生命的風(fēng)險(xiǎn)；采用無人機(jī)雖然能夠克服這些風(fēng)險(xiǎn)，但飛行高度較低，航程和續(xù)航能力也有限。所以用大型有人駕駛飛機(jī)攜帶、發(fā)射和回收多個(gè)小型無人機(jī)聯(lián)合作戰(zhàn)的方案，將能最好地將兩者各自的特點(diǎn)相結(jié)合：既可以同時(shí)延長(zhǎng)有人駕駛飛機(jī)和無人機(jī)的作戰(zhàn)航程，又增強(qiáng)了整體的安全性，從而能以有效成本實(shí)現(xiàn)突破性的功能，用于執(zhí)行情報(bào)、監(jiān)視、偵察和作戰(zhàn)各種任務(wù)。

圖4 DARPA空中航母想象圖

2.1.4 無人機(jī)集群和其他無人裝備跨域協(xié)同

無人機(jī)集群和其他無人裝備協(xié)同指的是將無人機(jī)集群和無人車、無人艇或者無人潛航器等無人裝備協(xié)同，共同執(zhí)行任務(wù)。不同無人裝備之間的跨域協(xié)同，有利于發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，更有針對(duì)性地高效完成任務(wù)。代表性的想定為DARPA的“進(jìn)攻性蜂群使能戰(zhàn)術(shù)”(Offensive Swarm-Enabled Tactics, OFFSET)項(xiàng)目(見圖5)[17]。城市作戰(zhàn)中，高聳的建筑物、狹窄的空間以及受限的視野形成的“城市峽谷”，限制了軍事移動(dòng)和戰(zhàn)術(shù)實(shí)施。無人機(jī)和無人車在城市地區(qū)的空中偵察和建筑清剿作戰(zhàn)中具有明顯優(yōu)勢(shì)。為此，DARPA啟動(dòng)了OFFSET項(xiàng)目，旨在利用大規(guī)?？罩泻偷孛孀灾鳈C(jī)器人，大幅提升城市作戰(zhàn)能力。項(xiàng)目設(shè)想利用250個(gè)以上的無人機(jī)或無人車的跨域集群，在8個(gè) 城市街區(qū)自主執(zhí)行6小時(shí)的區(qū)域隔絕任務(wù)。

圖5 OFFSET 跨域協(xié)同設(shè)想[17]

2.2 強(qiáng)調(diào)體系協(xié)同，構(gòu)建分布式指揮架構(gòu)

分布式體系作戰(zhàn)概念已成為指導(dǎo)美軍裝備發(fā)展的重要思想。無人機(jī)集群系統(tǒng)是典型的分布式作戰(zhàn)力量。為克服高成本、單一龐大的多功能平臺(tái)的內(nèi)在問題，發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)化無人平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，在DARPA等機(jī)構(gòu)牽引下，美軍持久開展分布式作戰(zhàn)體系研究，力爭(zhēng)構(gòu)筑新的分布式指揮架構(gòu)。主要項(xiàng)目包括：拒止環(huán)境中協(xié)同行動(dòng)(Collaborative Operations in Denied Environment, CODE)[18]，系統(tǒng)的系統(tǒng)集成技術(shù)和試驗(yàn)(System of Systems Integration Technology & Experimentation, SoSITE)[19]和分布式作戰(zhàn)管理(Distributed Battle Management, DBM)[20]等。

1) CODE：旨在開發(fā)基礎(chǔ)性的算法和軟件，使得現(xiàn)有無人機(jī)能夠以最小代價(jià)，在最小監(jiān)督下協(xié)同工作，使得當(dāng)前多人操作1架無人機(jī)的模式到1人同時(shí)操作6架或更多的無人機(jī)，以提高美軍在拒止或?qū)箍沼蛑蟹植际叫袆?dòng)能力。項(xiàng)目按照計(jì)劃分3階段執(zhí)行(如圖6)[18]。2018年11月，項(xiàng)目演示了裝備CODE軟件的無人機(jī)系統(tǒng)在“反介入?yún)^(qū)域拒止”環(huán)境下適應(yīng)和響應(yīng)意外威脅的能力。在真實(shí)/虛擬/構(gòu)造環(huán)境下中，6架真實(shí)無人機(jī)和 24架 虛擬無人機(jī)，接收指揮官的任務(wù)目標(biāo)后，自主協(xié)同導(dǎo)航、搜索、定位；并在通信和GPS拒止環(huán)境中，與模擬綜合防空系統(tǒng)保護(hù)下的計(jì)劃和突發(fā)的目標(biāo)作戰(zhàn)。CODE的可擴(kuò)展能力極大增強(qiáng)了現(xiàn)有空中平臺(tái)的生存性、靈活性和有效性，并減少無人系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間和成本。

2) SoSITE：開展分布式航空作戰(zhàn)體系架構(gòu)研究，發(fā)展能夠快速集成任務(wù)系統(tǒng)/模塊到體系的技術(shù)，并驗(yàn)證體系在戰(zhàn)場(chǎng)中的有效性和魯棒性。目標(biāo)是使用簡(jiǎn)單的、廉價(jià)的無人機(jī)等平臺(tái)組成集群，在開放性系統(tǒng)架構(gòu)下，進(jìn)行多作戰(zhàn)平臺(tái)和信息傳輸整合，最終優(yōu)化作戰(zhàn)形成分布式戰(zhàn)力的方法。例如連接有人和無人機(jī)或者空中和地面載具、或者多種基礎(chǔ)設(shè)施組件。

項(xiàng)目計(jì)劃分2階段進(jìn)行，如圖7[19]所示。2018年7月，洛·馬公司臭鼬工廠和DARPA開展了系列SoSITE項(xiàng)目飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證了如何應(yīng)用SoS方法和手段在對(duì)抗環(huán)境中對(duì)包括空、天、地、海、網(wǎng)絡(luò)空間的各個(gè)作戰(zhàn)域內(nèi)的系統(tǒng)進(jìn)行快速無縫的集成。該項(xiàng)目的成果可將任務(wù)系統(tǒng)快速并經(jīng)濟(jì)上可承受地集成到現(xiàn)有架構(gòu)中，有助美軍在瞬息萬變的作戰(zhàn)環(huán)境中維持作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)。

圖6 CODE項(xiàng)目計(jì)劃圖[18]

圖7 SoSITE項(xiàng)目計(jì)劃圖[19]

3) DBM：SoSITE項(xiàng)目明確提出了發(fā)展分布式空戰(zhàn)的概念、架構(gòu)及技術(shù)集成工具，這必然帶來組合爆炸的難題。針對(duì)這一挑戰(zhàn)，DBM項(xiàng)目借助開發(fā)和驗(yàn)證分布式?jīng)Q策輔助軟件，提供分布式的規(guī)劃、控制以及態(tài)勢(shì)理解等解決方案，以指導(dǎo)空戰(zhàn)管理和空對(duì)地攻擊等任務(wù)。在完成第1階段論證和關(guān)鍵算法設(shè)計(jì)后，2017年9月，DARPA和AFRL進(jìn)行了首輪飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證了通信中斷后多機(jī)系統(tǒng)可繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)能力；2018年3月，BAE公司贏得了最終階段合同，預(yù)計(jì)將于2019年8月或9月進(jìn)行最后的飛行演示驗(yàn)證。

2.3 加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，突破核心關(guān)鍵技術(shù)

集合人工智能、控制理論、機(jī)器人、系統(tǒng)工程和生物學(xué)等領(lǐng)域?qū)＜?，從自然集群的自組織機(jī)理著手，突破分布式集群體系架構(gòu)、集群持久協(xié)同、協(xié)同感知-判斷-決策-行動(dòng)(OODA)、群體智能等核心技術(shù)，并將其應(yīng)用到集群系統(tǒng)中。關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)大多由高校和具有強(qiáng)大科研實(shí)力的科技公司主導(dǎo)完成，其中決策與控制相關(guān)的技術(shù)進(jìn)展參見第3節(jié)。這里主要介紹部分有較大影響的牽引性項(xiàng)目。

美國(guó)麻省理工學(xué)院How教授領(lǐng)導(dǎo)的小組自2006年起開展“無人機(jī)集群健康管理”(UAV Swarm Health Management)項(xiàng)目[21]?！按笠?guī)模分布式飛行器集群，在長(zhǎng)時(shí)間任務(wù)中是有很大潛力以提供性能優(yōu)勢(shì)的。然而，如果沒有一個(gè)高度集成的健康管理系統(tǒng)，這些性能優(yōu)勢(shì)是很難發(fā)揮出來的”?；诖?，項(xiàng)目設(shè)計(jì)了無人機(jī)集群和地面車輛健康狀態(tài)的任務(wù)規(guī)劃算法，例如確定平臺(tái)失效對(duì)任務(wù)的影響、使用真實(shí)硬件設(shè)備來驗(yàn)證加油和維護(hù)調(diào)度的最優(yōu)策略等。10架四旋翼無人機(jī)系統(tǒng)的300余次測(cè)試驗(yàn)證了算法的有效性。

美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)GRASP(通用機(jī)器人自動(dòng)控制、傳感器和感知)實(shí)驗(yàn)室認(rèn)為：未來將依賴于小型平臺(tái)和傳感器組成的大型網(wǎng)絡(luò)在動(dòng)態(tài)、資源有限的敵對(duì)環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)。為此，他們圍繞集群協(xié)同：OODA回路展開研究，包括體系架構(gòu)、分布感知、協(xié)同同步定位建圖、編隊(duì)飛行等。特別值得提及的是：2012年他們成功讓16～20架小型四旋翼無人機(jī)(73 g)在室內(nèi)組成各種形狀的飛行編隊(duì)(圖8)[22]，這是研究人員第1次實(shí)現(xiàn)了10架以上無人機(jī)的集群飛行，取得了轟動(dòng)性的演示效應(yīng)。

圖8 16架無人機(jī)形成三維螺旋和金字塔[22]

在GRASP實(shí)驗(yàn)室旋翼機(jī)編隊(duì)飛行的激勵(lì)下，中美兩國(guó)的科技公司在無人機(jī)集群數(shù)量上不斷突破，使得無人機(jī)集群燈光秀逐步成為各大型活動(dòng)的“標(biāo)配”。2015年11月，英特爾公司在德國(guó)漢堡實(shí)現(xiàn)了100架四旋翼的室外燈光秀表演，從此拉開了無人機(jī)集群燈光秀的序幕[23]；2018年英特爾公司在其成立50周年的慶典上放飛2018架無人機(jī)，曾創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)一次性使用無人機(jī)數(shù)量最多的世界紀(jì)錄[24]。國(guó)內(nèi)億航[25]、高巨創(chuàng)新[26]等公司，也多次完成無人機(jī)集群燈光秀表演。2019年7月，高巨創(chuàng)新公司在建國(guó)70周年之際，完成了2 100 架無人機(jī)集群的燈光秀表演(如圖9[26]所示)。一般認(rèn)為，燈光秀表演中的每一架無人機(jī)都已預(yù)先設(shè)定好軌跡，以軌跡跟蹤或集中控制的方式完成[27]。

圖9 高巨創(chuàng)新公司慶祝建國(guó)70周年的燈光秀表演[26]

集群協(xié)同算法的開發(fā)和驗(yàn)證在地面機(jī)器人集群上開展的更為深入?？紤]到規(guī)模因素，地面機(jī)器人集群往往嚴(yán)格控制單機(jī)器人的體積和成本。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院開發(fā)了用于教學(xué)的e-puck機(jī)器人，每個(gè)機(jī)器人的直徑僅有7.5 cm，造價(jià)約250歐元[28]；在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了20個(gè)e-puck機(jī)器人的聚集、覓食等協(xié)同行為[29]。德國(guó)斯圖加特大學(xué)設(shè)計(jì)了尺寸為30 mm×30 mm×20 mm的Jasmine機(jī)器人，并在3 m×3 m的區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)了規(guī)模達(dá)到105個(gè)機(jī)器人的聚集行為[30]。美國(guó)哈佛大學(xué)Radhika Nagpal教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的Kilobot機(jī)器人，直徑為3.3 cm，單個(gè)造價(jià)僅為14美元，機(jī)器人只能通過振動(dòng)的方式以1cm/s的速度運(yùn)動(dòng)[31]；基于Kilobot機(jī)器人，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了覓食、編隊(duì)等協(xié)同行為，并進(jìn)行了上千規(guī)模(1 024)的集群演示，集群系統(tǒng)在運(yùn)行12 h之后，能夠自動(dòng)排成“K”字形、五角星、扳手等圖案[32]，如圖10所示。這也是機(jī)器人集群的規(guī)模首次達(dá)到千量級(jí)。

圖10 Kilobot機(jī)器人及其形成的扳手圖案[32]

群體智能也被普遍視為集群系統(tǒng)能力提升的關(guān)鍵技術(shù)，受到了多個(gè)領(lǐng)域研究者的普遍關(guān)注。群體智能往往被看作是對(duì)自然界的生物智能的模擬，通過設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單規(guī)則使能力較弱的一群個(gè)體最終進(jìn)化生成較復(fù)雜的群體行為。大量的代表性成果發(fā)表在Nature和Science及其子刊上。除Kilobot機(jī)器人外，近年來取得的代表性成果還有：哈佛大學(xué)的Werfel等受白蟻啟發(fā)，設(shè)計(jì)了3個(gè)機(jī)器人，基于簡(jiǎn)單規(guī)則和局部感知最終可搭建金字塔等形狀[33]；比利時(shí)布魯塞爾自由大學(xué)的兩位研究人員使用e-puck構(gòu)建的20個(gè)機(jī)器人集群經(jīng)過群體演化后，能夠自行學(xué)會(huì)并掌握先前設(shè)計(jì)者并為對(duì)其指明的動(dòng)作序列[34]。2019年，中國(guó)青年學(xué)者李曙光與他的合作者共同完成設(shè)計(jì)的粒子機(jī)器人登上Nature封面，該機(jī)器人通過信息交換和力學(xué)協(xié)同模擬了生物細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)搬運(yùn)物體和向光源移動(dòng)[35]。

2.4 加緊集群驗(yàn)證，形成非對(duì)稱優(yōu)勢(shì)

為推動(dòng)無人機(jī)集群形成任務(wù)能力，在協(xié)同模式和關(guān)鍵技術(shù)的牽引下，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)開展了大量的集群協(xié)同飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，力爭(zhēng)盡快形成非對(duì)稱集群優(yōu)勢(shì)。美正在開展的代表性項(xiàng)目包括：低成本無人機(jī)集群技術(shù)[36]、“山鶉”無人機(jī)集群[37]、近戰(zhàn)隱蔽自主一次性無人機(jī)[38]、可空中回收無人機(jī)集群“小精靈”[39]等。項(xiàng)目基本情況如表1所示。

低成本無人機(jī)集群技術(shù)(LOw-Cost Unmanned aerial vehicle Swarming Technology，LOCUST)項(xiàng)目由美國(guó)海軍研究辦公室(Office of Naval Research, ONR)主導(dǎo)，采用無人機(jī)集群協(xié)同模式(見圖11)[36]。旨在快速釋放大量小型無人機(jī)，通過自適應(yīng)組網(wǎng)及自主協(xié)同，以壓倒性數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)贏得戰(zhàn)爭(zhēng)。項(xiàng)目發(fā)展了如郊狼(Coyote)等系列小型折疊翼無人機(jī)和多管發(fā)射裝置。2016年4月，美海軍實(shí)現(xiàn)了30架郊狼無人機(jī)的快速發(fā)射(1架/s)和自主編隊(duì)飛行的技術(shù)驗(yàn)證。

表1 典型無人機(jī)集群項(xiàng)目

圖11 LOCUST項(xiàng)目的郊狼無人機(jī)及編隊(duì)飛行[36]

山鶉(Perdix)無人機(jī)集群項(xiàng)目由美國(guó)戰(zhàn)略能力辦公室(Strategic Capabilities Office, SCO)主導(dǎo)，采用有人戰(zhàn)機(jī)投放無人機(jī)集群代替空射誘餌等，執(zhí)行誘導(dǎo)欺騙、前出偵查等任務(wù)。2016年10月，完成由3架F/A-18戰(zhàn)斗機(jī)空中投放103架“山鶉”無人機(jī)的演示驗(yàn)證，集群展現(xiàn)了一些高級(jí)的行為如集群決策、自適應(yīng)編隊(duì)以及集群自愈性，如圖12所示[37]。

圖12 山鶉”(Perdix)無人機(jī)集群演示[37]

近戰(zhàn)隱蔽自主一次性無人機(jī)(Close-In Covert Autonomous Disposable Aircraft, CICADA)項(xiàng)目由美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室(Naval Research Laboratory，NRL)發(fā)起。項(xiàng)目旨在開發(fā)低成本一次性微型無人機(jī)，每架只攜帶微型電子傳感器，比如天氣、溫度、濕度和氣壓傳感器等，借助大型載體像播種一樣向某個(gè)區(qū)域大量“播種”，形成龐大而穩(wěn)定的“探測(cè)矩陣”。2017年4月，美海軍從P-3偵察機(jī)上一次性釋放32架CICADA微型無人機(jī)；在2019年4月，4架大型無人機(jī)(Hives)釋放了100多架小型CICADA微型無人機(jī)編隊(duì)，用于收集區(qū)域的氣象資料，如圖13所示[38]。

圖13 CICADA無人機(jī)集群演示[38]

可空中回收無人機(jī)集群“小精靈”(Gremlins)項(xiàng)目(見圖14)[39]由DARPA主導(dǎo)。項(xiàng)目設(shè)想讓現(xiàn)有大型飛機(jī)充當(dāng)“空中航母”，在敵防御射程外發(fā)射成群小型無人機(jī)；當(dāng)任務(wù)結(jié)束后C-130運(yùn)輸機(jī)將小型無人機(jī)回收，在24 h內(nèi)完成重置并等待下次使用。項(xiàng)目于2015年9月啟動(dòng)，目前正處于第3階段，計(jì)劃2020年春完成全流程試驗(yàn)，具備在C-130上一個(gè)操作員最多控制8架無人機(jī)以及在半小時(shí)內(nèi)空中回收4架無人機(jī)的能力。

美國(guó)之外，各區(qū)域強(qiáng)國(guó)也積極開展各類集群試驗(yàn)。歐盟在未來空戰(zhàn)系統(tǒng)中，將空射無人機(jī)集群作為未來實(shí)施防區(qū)外精確戰(zhàn)術(shù)打擊和集群式飽和攻擊的核心手段。印度也于2019年發(fā)布了首個(gè)無人機(jī)集群概念項(xiàng)目ALFA-S(Air-Launched Flexible Asset-Swarm)，計(jì)劃通過戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)射大量差大一體無人機(jī)，執(zhí)行對(duì)地防空打擊任務(wù)[40]。土耳其國(guó)營(yíng)STM軍工集團(tuán)展示了20架7 kg的四旋翼無人機(jī)集群作戰(zhàn)反恐的概念演示[41]。

圖14 “小精靈”項(xiàng)目[39]

中國(guó)也積極開展固定翼無人機(jī)集群的飛行驗(yàn)證[4]。中國(guó)電子科技集團(tuán)(簡(jiǎn)稱中電科集團(tuán))先后完成了67架、119架、200架的固定翼無人機(jī)集群飛行。2018年1月，國(guó)防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院無人機(jī)系統(tǒng)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)針對(duì)無人機(jī)集群自主協(xié)同展開試驗(yàn)飛行[42]，20余架無人機(jī)相繼起飛，在空中集結(jié)編隊(duì)，飛向指定區(qū)域完成偵察任務(wù)，驗(yàn)證了分組分簇自適應(yīng)分布體系架構(gòu)、并行感知與行為意圖預(yù)判、按需探測(cè)自組織任務(wù)規(guī)劃、極低人機(jī)比集群監(jiān)督控制、以意外事件處理為核心的集群自主飛行控制等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。北京航空航天大學(xué)仿生自主飛行系統(tǒng)研究組結(jié)合生物群體智能深入研究了無人機(jī)集群編隊(duì)、目標(biāo)分配、目標(biāo)跟蹤、集群圍捕等任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)[43]，并于2018年5月完成基于狼群行為機(jī)制的無人機(jī)協(xié)同任務(wù)分配的飛行驗(yàn)證,如圖15所示。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀及分析

以無人機(jī)為典型代表的無人集群系統(tǒng)中，如此眾多的單體如何不沖突地一起工作？關(guān)鍵在于集群控制。無人機(jī)集群協(xié)同控制是指大量無人機(jī)平臺(tái)配合完成OODA循環(huán)的全回路[44]，使各平臺(tái)在“正確的時(shí)間、到達(dá)正確地點(diǎn)、執(zhí)行正確的任務(wù)”，獲得“1+1+…+1?N”的集群協(xié)同效能，且具備去中心化、自主化和自治化的特點(diǎn)。圖16 從OODA 的視角，給出了目前關(guān)于集群協(xié)同的典型研究方向，包括協(xié)同觀測(cè)、協(xié)同偵察、協(xié)同定位與建圖、任務(wù)分配、任務(wù)規(guī)劃、聚集、蜂擁、編隊(duì)等。

圖15 中國(guó)開展的典型集群飛行演示實(shí)驗(yàn)

圖16 集群協(xié)同的典型研究方向

無人機(jī)集群協(xié)同涉及 OODA 循環(huán)的全任務(wù)回路，勢(shì)必將成為未來高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)背景下各大國(guó)之間競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)高點(diǎn)。本節(jié)將專注于集群于 OODA 回路中末端環(huán)節(jié)，圍繞分布式“決策和行動(dòng)”的關(guān)鍵技術(shù)展開。

3.1 集群控制的挑戰(zhàn)

無人機(jī)集群控制本質(zhì)上可以看作是尋找對(duì)整個(gè)大系統(tǒng)的最優(yōu)控制策略，其復(fù)雜性主要體現(xiàn)在以下6個(gè)方面：

1) 數(shù)量多：通?？紤]幾十上百，甚至成千上萬架無人機(jī)，協(xié)同難度隨著數(shù)量增加急劇增加。

2) 異構(gòu)性：集群成員通常具有相同基礎(chǔ)平臺(tái)，但是配置的傳感器、偵察/武器載荷可能不同，導(dǎo)致完成特定任務(wù)的能力也不同。在執(zhí)行任務(wù)過程中需要對(duì)集群成員按照不同能力進(jìn)行合理分配。

3) 任務(wù)多：集群通常需要同步并行完成不同的任務(wù)；不同類型的任務(wù)具有不同的要求，且任務(wù)之間可能存在約束關(guān)系。

4) 約束多：除無人機(jī)系統(tǒng)性能約束外，還包括戰(zhàn)術(shù)要求約束、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境約束、通信約束、平臺(tái)空間約束、時(shí)間約束、任務(wù)耦合約束、航跡防撞約束等以及約束間大量錯(cuò)綜復(fù)雜的耦合交聯(lián)關(guān)系。

5) 動(dòng)態(tài)變化：集群執(zhí)行任務(wù)面對(duì)的態(tài)勢(shì)通常動(dòng)態(tài)變化，且目標(biāo)、威脅、任務(wù)以及無人機(jī)本身狀態(tài)均處于不斷變化中；特別地，在對(duì)抗環(huán)境中決策和行動(dòng)可能受到敵方?jīng)Q策和行動(dòng)的影響。

6) 不確定性：由于傳感器信息的不確定性和通信信息的不確定性，無人機(jī)對(duì)當(dāng)前態(tài)勢(shì)的感知也是不確定的。

以上各個(gè)方面的因素交織在一起，形成的建模復(fù)雜性、組合多樣性、信息不確定性、計(jì)算復(fù)雜性和時(shí)間緊迫性，以及無人機(jī)集群成本受限/動(dòng)力學(xué)復(fù)雜/機(jī)載資源有限等特點(diǎn)，使得無人機(jī)集群控制問題極富挑戰(zhàn)，如圖17所示。

圖17 大規(guī)模小型固定翼無人機(jī)集群控制的挑戰(zhàn)

3.1.1 重量/功耗/空間/成本限制對(duì)機(jī)載通信、計(jì)算和存儲(chǔ)能力的約束

小型固定翼無人機(jī)可供載荷使用的重量、功率和空間非常有限。以某小型固定翼無人機(jī)為例，其可用載荷重量(不包括電池、機(jī)體重量)≤ 1.5 kg，可用載荷體積<10 cm×10 cm×15 cm，可用功率< 60 W。同時(shí)，要建立成本可承受的無人機(jī)集群系統(tǒng)，單機(jī)成本不能過高；考慮到無人機(jī)系統(tǒng)的安全和冗余設(shè)計(jì)，分解到各核心載荷上的成本非常受限。苛刻的載荷重量、功耗、空間以及成本約束，使得自駕儀、計(jì)算/存儲(chǔ)設(shè)備、自定位/機(jī)間定位設(shè)備、通信/感知等載荷的集成設(shè)計(jì)非常具有挑戰(zhàn)性?？紤]到設(shè)備性能和功耗/體積/重量以及價(jià)格等往往互相制約，故而各類載荷的性能必須折衷設(shè)計(jì)，使得機(jī)載通信、計(jì)算和存儲(chǔ)的性能非常受限。

3.1.2 數(shù)量規(guī)模給集群控制帶來的挑戰(zhàn)

集群系統(tǒng)的性能受梅特卡夫定律的影響，即數(shù)量規(guī)模的增大將導(dǎo)致協(xié)同難度的指數(shù)上升，在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、集群管理、協(xié)同控制等技術(shù)上存在拐點(diǎn)效應(yīng)，在系統(tǒng)性能如收斂性和穩(wěn)定性等方面存在天花板效應(yīng)。同時(shí)，小型固定翼無人機(jī)集群系統(tǒng)的通信距離和帶寬等性能受限，通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)存在約束，難以做到大容量的機(jī)間信息分發(fā)和任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)傳輸，進(jìn)一步壓縮了大集群系統(tǒng)在理論上的最優(yōu)性能。特別地，當(dāng)機(jī)間信息流和數(shù)據(jù)流存在擁塞時(shí)，集群系統(tǒng)的性能會(huì)急劇惡化。故而，大集群和通信受限都對(duì)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、協(xié)同規(guī)劃決策、集群飛行控制、低人機(jī)比指控等提出了苛刻的要求。如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的無人機(jī)集群協(xié)同控制，尚是一個(gè)極富挑戰(zhàn)的課題。

3.1.3 任務(wù)耦合、局部信息不一致和維數(shù)爆炸給集群控制帶來的挑戰(zhàn)

集群通?？梢圆捎谩包c(diǎn)面結(jié)合”的方式同時(shí)遂行多重任務(wù)，但是集群任務(wù)通常具有不確定性，且彼此耦合。例如在集群協(xié)同區(qū)域偵查和目標(biāo)抵近跟蹤的典型任務(wù)中，偵察和跟蹤任務(wù)耦合，地面目標(biāo)數(shù)量/運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不斷變化(動(dòng)態(tài)出現(xiàn)/被遮蔽，且不規(guī)則運(yùn)動(dòng)等)，無人機(jī)數(shù)量不斷變化(部分損毀/部分返航補(bǔ)充燃料/部分通信失聯(lián)等)、環(huán)境區(qū)域復(fù)雜(山區(qū)環(huán)境，通常為不規(guī)則的非凸構(gòu)型)等，導(dǎo)致集群任務(wù)協(xié)同通常無法得到閉式的全局優(yōu)化解。進(jìn)一步，集群采用分布式感知/通信和鄰域協(xié)作方式，機(jī)間的信息傳遞步長(zhǎng)有限，導(dǎo)致機(jī)間信息不一致性，更進(jìn)一步加劇了優(yōu)化的難度。另一方面，集群協(xié)同需要考慮多平臺(tái)空間約束、時(shí)間約束、任務(wù)耦合約束、航跡防撞約束等以及約束間大量錯(cuò)綜復(fù)雜的耦合交聯(lián)關(guān)系，使得決策變量數(shù)量成倍增加；固定翼無人機(jī)動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜性更增添了優(yōu)化約束的復(fù)雜度。故而，任務(wù)的復(fù)雜性/多樣性和集群數(shù)量導(dǎo)致決策空間急劇膨脹和高度耦合，使得集群控制問題建模困難、求解困難。維數(shù)的增加必然帶來規(guī)劃時(shí)間性能的降低，對(duì)于時(shí)敏性任務(wù)，必須在算法最優(yōu)性和時(shí)間性能之間權(quán)衡。特別地，由于集群系統(tǒng)的計(jì)算/存儲(chǔ)能力極度受限而數(shù)量規(guī)模巨大，更是對(duì)集群控制帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

3.1.4 無人機(jī)動(dòng)力學(xué)給集群任務(wù)協(xié)同帶來的挑戰(zhàn)

黃琳院士指出：“運(yùn)動(dòng)體所表現(xiàn)出的具有強(qiáng)非線性、強(qiáng)實(shí)時(shí)變與強(qiáng)耦合性和高不確定性的特征使得問題變得特別困難，例如…非線性非完整約束、…欠驅(qū)動(dòng)問題…”[45]。小型固定翼無人機(jī)是典型的欠驅(qū)動(dòng)、非線性高速運(yùn)動(dòng)體，存在巡航速度、最大/最小速度/角速度等約束，且其空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)和飛行速度密切耦合。以“雙子星”無人機(jī)為例，其巡航速度約為16 m/s，失速速度約為12 m/s，最大速度約23 m/s。并且，無人機(jī)在飛行中不可避免地受到機(jī)體振顫和陣風(fēng)等影響，但是由于機(jī)體重量輕、推力小，主動(dòng)抗風(fēng)性能較差。故而，固定翼無人機(jī)因其強(qiáng)非線性特點(diǎn)，在集群協(xié)同的規(guī)劃決策、起飛降落、通信組網(wǎng)、集群飛行等方面均比“準(zhǔn)靜態(tài)”的旋翼無人機(jī)集群復(fù)雜得多。

3.2 集群控制關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

以集群協(xié)同遂行“OODA”控制回路為背景，國(guó)內(nèi)外在集群體系架構(gòu)、集群通信與組網(wǎng)、集群決策與規(guī)劃、集群無人機(jī)系統(tǒng)、集群飛行與隊(duì)形重構(gòu)、集群安全、集群指控等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域開展了大量理論和應(yīng)用研究

3.2.1 集群體系架構(gòu)

采用何種結(jié)構(gòu)將多個(gè)無人平臺(tái)組合起來發(fā)揮更大效能，是集群實(shí)現(xiàn)首先要解決的問題。根據(jù)信息交互的策略，現(xiàn)有集群架構(gòu)通常可分為集中式和分布式架構(gòu)。分布式架構(gòu)具有較好的擴(kuò)充性和容錯(cuò)性，能夠?qū)⑼话l(fā)影響限制在局部范圍內(nèi)，適宜于大規(guī)模系統(tǒng)。例如，美國(guó)海軍的LOCUST項(xiàng)目就采用典型分布式架構(gòu)。

不同于單體體系架構(gòu)，集群體系必須綜合設(shè)計(jì)集群間以及單機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。過去幾年，無人機(jī)集群領(lǐng)域進(jìn)行了較多體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的研究。Sanchez-Lopez等[46-47]針對(duì)多無人機(jī)系統(tǒng)提出了一種混合反應(yīng)/慎思式的開源體系架構(gòu)AeroStack，包含了反應(yīng)、執(zhí)行、慎思、反思和社會(huì)等5層。Grabe等[48]提出一種異構(gòu)無人機(jī)集群的端到端控制框架Telekyb，其高層任務(wù)(例如任務(wù)規(guī)劃等)集中運(yùn)行在地面端。Boskovic等[49]提出無人機(jī)群的6層分層結(jié)構(gòu)CoMPACT，有效結(jié)合了任務(wù)規(guī)劃、動(dòng)態(tài)重分配、反應(yīng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和突發(fā)式生物啟發(fā)群體行為等，將任務(wù)執(zhí)行分為任務(wù)、功能、團(tuán)隊(duì)、班排、無人機(jī)等級(jí)別。但是：上述工作均主要針對(duì)小規(guī)模四旋翼無人機(jī)集群，并沒有針對(duì)固定翼無人機(jī)設(shè)計(jì)，特別是沒有考慮固定翼無人機(jī)高速運(yùn)動(dòng)所需的強(qiáng)實(shí)時(shí)性。相比之下，Chung等提出了一個(gè)群體系統(tǒng)并演示了多達(dá)50個(gè)固定翼無人機(jī)的實(shí)時(shí)飛行實(shí)驗(yàn)[50]。然而，該工作更多地集中在無人機(jī)集群的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，包括自主發(fā)射、起降和飛行等，不支持集體行為和任務(wù)協(xié)調(diào)等。

總體而言，集群體系架構(gòu)領(lǐng)域還存在以下挑戰(zhàn)：① 規(guī)?？蓴U(kuò)展性：絕大多數(shù)工作只在小規(guī)模系統(tǒng)(通常2～5架)驗(yàn)證。隨著規(guī)模增加，不論在理論還是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上，集群系統(tǒng)的難度指數(shù)上升，體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也更有挑戰(zhàn)。② 多樣性：現(xiàn)有方案通常只關(guān)注特殊領(lǐng)域，很少可以適用多種任務(wù)。然而，高度自治化的集群系統(tǒng)需要支持多樣化任務(wù)。另外，目前集群架構(gòu)設(shè)計(jì)主要針對(duì)旋翼無人機(jī)集群，還欠缺適宜于執(zhí)行多樣化任務(wù)的大規(guī)模固定翼無人機(jī)集群的體系架構(gòu)。

3.2.2 集群通信與組網(wǎng)

機(jī)間通信是集群協(xié)同的基礎(chǔ)之一。集群通信一般考慮空中無人機(jī)和機(jī)面控制站之間，以及集群無人機(jī)之間的通信。無人機(jī)集群的地面控制站，通常配備有通信設(shè)備(常使用未經(jīng)許可的無線電頻段，如900 MHz)，采用點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)或廣播方式，向無人機(jī)發(fā)送控制命令和接收遙測(cè)數(shù)據(jù)[51]。通常，遙測(cè)數(shù)據(jù)包括GPS信息、無人機(jī)狀態(tài)信息以及機(jī)載載荷的感知信息等。集群無人機(jī)之間的通信主要用于無人機(jī)之間的狀態(tài)和載荷信息交互。本節(jié)主要關(guān)注集群無人機(jī)之間的通信。固定翼無人機(jī)集群由于節(jié)點(diǎn)數(shù)量多、任務(wù)種類多、飛行速度快、相對(duì)時(shí)空關(guān)系變化頻繁以及信息傳遞的即時(shí)性和突發(fā)性等，使得集群之間的通信和組網(wǎng)具有很大的挑戰(zhàn)性。

通信體系結(jié)構(gòu)是無人機(jī)組網(wǎng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容之一，合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以提高通信數(shù)據(jù)以及上層任務(wù)執(zhí)行的效率和可靠性。當(dāng)前的無人機(jī)集群通常采用2種通信架構(gòu)形式之一，分別為基于基礎(chǔ)設(shè)施的集群架構(gòu)和基于自組網(wǎng)(ad-hoc)的集群架構(gòu)。

基于基礎(chǔ)設(shè)施的架構(gòu)包含基站(例如和地面站相連的地面基站或者通信衛(wèi)星)，所有的無人機(jī)都和基站直接相連[52]?；窘邮占褐兴袩o人機(jī)的遙測(cè)信息，并轉(zhuǎn)發(fā)給其他所有或部分無人機(jī)。故而，該架構(gòu)也可稱為以基站為中心的通信組網(wǎng)。該架構(gòu)優(yōu)勢(shì)在于：① 可以借助地面高性能計(jì)算設(shè)備進(jìn)行復(fù)雜的實(shí)時(shí)計(jì)算和優(yōu)化。② 機(jī)間聯(lián)網(wǎng)不是必需的，可以減少無人機(jī)的有效負(fù)載[52-53]。但是基于基礎(chǔ)設(shè)施的架構(gòu)嚴(yán)重依賴于基站，系統(tǒng)缺乏冗余性，且基站和無人機(jī)之間的通信可能容易受到干擾；如果基站受到攻擊或干擾，整個(gè)集群的可操作性將受到損害。同時(shí)，基于基礎(chǔ)設(shè)施的架構(gòu)要求所有無人機(jī)都必須在基站的傳播范圍內(nèi)；特別地，小型無人機(jī)的負(fù)載能力極度有限，與基礎(chǔ)設(shè)施建立可靠通信所需的硬件可能會(huì)限制基于基礎(chǔ)設(shè)施的集群功效，限制了集群無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)范圍。另一個(gè)缺點(diǎn)是缺乏分布式?jīng)Q策能力，通常通過地面站協(xié)調(diào)所有無人機(jī)的決策。和集中式體系架構(gòu)類似，隨著規(guī)模的增加，通信數(shù)量、決策維數(shù)等存在維數(shù)爆炸的問題，限制了集群規(guī)模的增加；同時(shí)，不可避免地存在通信時(shí)延，使得系統(tǒng)難以實(shí)時(shí)響應(yīng)決策。

基于自組網(wǎng)的集群架構(gòu)將無線自組網(wǎng)和無人機(jī)集群結(jié)合。無線自組網(wǎng)不依賴于基礎(chǔ)設(shè)施，無需路由器或接入點(diǎn)；相反，基于動(dòng)態(tài)路由算法動(dòng)態(tài)分配節(jié)點(diǎn)。近年來，人們將移動(dòng)和車載自組網(wǎng)概念拓展到無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信中，形成飛行自組網(wǎng)(FANET)[52-55]。無人機(jī)間的信息交互，不依賴于任何已有的基礎(chǔ)設(shè)施，而是臨時(shí)建立起適應(yīng)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)變化的機(jī)器對(duì)機(jī)器(M2M)通信網(wǎng)絡(luò)[56]；不需無線接入點(diǎn)(Access Point)，但是至少有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)連接一個(gè)地面基站或者衛(wèi)星。文獻(xiàn)[57] 從移動(dòng)性、拓?fù)浜湍芎牡确矫姹容^了移動(dòng)自組網(wǎng)、車載自組網(wǎng)和無人機(jī)自組網(wǎng)，并比較分析了各種自組網(wǎng)的路由協(xié)議和節(jié)能策略。文獻(xiàn)[58]綜述了無人機(jī)集群在民用領(lǐng)域，包括搜索援救、覆蓋偵查和運(yùn)送物品等應(yīng)用中通信組網(wǎng)的特點(diǎn)和需求。和移動(dòng)或車載自組網(wǎng)相比，飛行自組網(wǎng)具有自身特點(diǎn)。① 節(jié)點(diǎn)的高速移動(dòng)和拓?fù)涞母邉?dòng)態(tài)變化。典型的移動(dòng)和車載自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通常是人和汽車，而飛行自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)則是高速飛行的無人機(jī)，移動(dòng)度遠(yuǎn)高于移動(dòng)或車載自組網(wǎng)，導(dǎo)致其拓?fù)渥兓纫苿?dòng)或車載自組網(wǎng)更為頻繁。② 節(jié)點(diǎn)稀疏性和網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)性。集群中的無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)通常是分散分布的，機(jī)間距離大都千米級(jí)，遠(yuǎn)大于移動(dòng)或車載自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間的距離，導(dǎo)致空域內(nèi)節(jié)點(diǎn)密度較低。同時(shí)，實(shí)際應(yīng)用中，無人機(jī)還需和衛(wèi)星、有人機(jī)、地面機(jī)器人等不同類型的平臺(tái)通信，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇赡芊謱臃植肌＂?節(jié)點(diǎn)任務(wù)的多樣性。無人機(jī)集群系統(tǒng)可能包括不同類型的傳感器，并且每個(gè)傳感器可能需要不同的數(shù)據(jù)傳輸策略。比如，需同時(shí)支持高頻/實(shí)時(shí)的控制/決策通信需求(時(shí)延毫秒級(jí))和協(xié)同感知等任務(wù)需求的大容量(M級(jí))機(jī)間傳輸；支持突發(fā)任務(wù)響應(yīng)，可隨時(shí)發(fā)起點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或者點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信。④ 更高可靠性和更低重量要求。小型無人機(jī)載荷重量有限；同時(shí)空中無人機(jī)一旦失控，很容易造成機(jī)毀人亡。故而，飛行自組網(wǎng)在嚴(yán)格限制端機(jī)重量條件下，對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和軟硬件可靠性有嚴(yán)苛要求。目前，其仍面臨著嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)：

1) 有限的單跳距離[52,55]：飛行自組網(wǎng)的建立依賴于每架無人機(jī)之間的單跳通信，而要想通過有限的機(jī)載能力實(shí)現(xiàn)可靠的通信，其單跳距離往往受到了限制，這成為了約束飛行自組網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的重要因素之一。

2) 難以可靠控制的丟包率[59]：飛行自組網(wǎng)中，對(duì)動(dòng)態(tài)路由的配置提出了很高的要求，迅速改變的物理層道 會(huì)使原有拓?fù)涞穆窂阶兊貌辉倏煽?，從而?dǎo)致數(shù)據(jù)的大量丟包，這會(huì)嚴(yán)重限制無人機(jī)集群的任務(wù)執(zhí)行能力。

另一方面，在基礎(chǔ)架構(gòu)、硬件設(shè)備、通信帶寬等固定的情況下，根據(jù)任務(wù)需求進(jìn)行通信調(diào)度，可最大限度地挖掘通信系統(tǒng)的性能。目前，協(xié)同飛行任務(wù)中的通信需求研究較多。通常，其通信拓?fù)湟鬅o向連通或存在有向生成樹，拓?fù)淝袚Q和通信時(shí)延等存在必要條件[60-61]。但是，目前對(duì)其他任務(wù)，比如協(xié)同探測(cè)、協(xié)同規(guī)劃等通信需求的研究較少。

3.2.3 集群決策與規(guī)劃

集群規(guī)劃的內(nèi)涵是“在線實(shí)時(shí)為集群內(nèi)的每架無人機(jī)生成從當(dāng)前/起始位置到目標(biāo)位置的運(yùn)動(dòng)任務(wù)，要求集群任務(wù)總代價(jià)最低(較低)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)集群內(nèi)相互避碰以及避免與環(huán)境碰撞”。

和體系結(jié)構(gòu)一樣，規(guī)劃決策可以采用集中或分散式方法解決。集中方法中，有一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)可以獲得所有無人機(jī)的信息，問題轉(zhuǎn)化為對(duì)整個(gè)集群的單一優(yōu)化問題[62]。分散方法中，每架無人機(jī)依賴獲得的全局或者局部信息單獨(dú)求解[63]。介于兩者之間的是半分散式系統(tǒng)[64]，它充分利用無人機(jī)的分布式計(jì)算能力，但仍然需要中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息融合或全局約束條件的判斷。

無人機(jī)集群的規(guī)劃決策可以涉及不同層次，部分算法直接作用于無人機(jī)的控制輸入，部分算法則聚焦于無人機(jī)的任務(wù)或行為。POMDPs提供了一種優(yōu)化的數(shù)學(xué)框架來建模無人機(jī)與環(huán)境交互過程[65]，可在同一框架內(nèi)通過優(yōu)化合并的目標(biāo)函數(shù)實(shí)現(xiàn)不同層次策略的組合，因此得到了廣泛的使用。對(duì)于無人機(jī)集群系統(tǒng)，POMDPs 可以擴(kuò)展為 MPOMDPs(集中式)或Dec-POMDPs(分散式)[66-67]等。進(jìn)一步，為解決集群信息不一致和狀態(tài)不確定問題，考慮信息融合的多無人機(jī)POMDPs求解算法也得到了研究[67-68]。

集群任務(wù)的不確定性，給規(guī)劃決策帶來了極大挑戰(zhàn)。任務(wù)規(guī)劃通常是PSPACE完整的，尋求精確解的規(guī)劃算法僅限于在低維系統(tǒng)可行。集群通常由大量個(gè)體組成，同時(shí)還具有底層空間的高維度特性，導(dǎo)致緯度巨大且計(jì)算復(fù)雜。規(guī)劃算法對(duì)問題維度呈指數(shù)依賴，即使離線都難以求解。進(jìn)一步，與地面機(jī)器人相比，無人機(jī)速度更快，動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)更復(fù)雜，機(jī)載計(jì)算能力更有限，故而，無人機(jī)的規(guī)劃決策算法必須盡可能降低計(jì)算量，且具有強(qiáng)實(shí)時(shí)性。美國(guó)空軍技術(shù)研究院以無人集群廣域搜索/打擊一體化任務(wù)為研究背景，通過群間任務(wù)分配、群內(nèi)任務(wù)協(xié)調(diào)、路徑規(guī)劃和軌跡優(yōu)化 4個(gè) 層次的分層優(yōu)化，使得無人平臺(tái)能夠針對(duì)復(fù)雜任務(wù)實(shí)現(xiàn)層次化協(xié)調(diào)，極大地減小了在線計(jì)算負(fù)載。但是，總體而言，為適應(yīng)瞬息萬變的復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境，如何實(shí)現(xiàn)兼顧優(yōu)化性和快速性的動(dòng)態(tài)決策和任務(wù)/航跡重規(guī)劃，仍然還是挑戰(zhàn)性的問題。

3.2.4 集群無人機(jī)平臺(tái)系統(tǒng)

集群無人機(jī)平臺(tái)系統(tǒng)，包括平臺(tái)和飛行控制系統(tǒng)，是集群形成能力的基礎(chǔ)。集群具備的優(yōu)勢(shì)與無人機(jī)系統(tǒng)的特性息息相關(guān)，合理的平臺(tái)設(shè)計(jì)和精確的飛行控制能大幅提升集群性能。

無人機(jī)平臺(tái)是集群遂行多種任務(wù)的載體，其性能和作用范圍也在不斷增加。伴隨性能增加，平臺(tái)的成本也在不斷增加，如何兼顧平臺(tái)成本和性能是集群走向?qū)崙?zhàn)的必由之路[69-70]。集群內(nèi)部信息需要交互與反饋，動(dòng)作需要協(xié)同與配合，任務(wù)需要分工與合作，這些都需要平臺(tái)和載荷的參與[71-72]。通常而言，集群采用低成本的常規(guī)中小型無人機(jī)(10～100 kg)，其性能差異并不明顯。單平臺(tái)主要評(píng)價(jià)指標(biāo)有：航時(shí)、巡航速度、最大航程、最大升限、載荷能力、機(jī)動(dòng)性(最小轉(zhuǎn)彎半徑，爬升速率、下降速率等)、穩(wěn)定性、跟蹤定位性能等。除此之外，集群無人機(jī)平臺(tái)更關(guān)注自組織、自適應(yīng)和信息交互特性。特別地，考慮到集群的數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)，集群無人機(jī)應(yīng)特別注重成本控制，包括低成本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模塊化組裝調(diào)試、數(shù)字化精確飛控與導(dǎo)航、小型化能源動(dòng)力和多功能組網(wǎng)通信等。以美軍“小精靈”無人機(jī)為例，其設(shè)計(jì)目標(biāo)為作戰(zhàn)半徑555～926 km；續(xù)航時(shí)間1～3 h；設(shè)計(jì)載重27.3～54.5 kg；飛行速度0.7～0.8馬赫；發(fā)射高度12 192 m以上；推進(jìn)系統(tǒng)可選型現(xiàn)役發(fā)動(dòng)機(jī)、改進(jìn)型動(dòng)機(jī)或全新設(shè)計(jì)型發(fā)動(dòng)機(jī)；有效載荷功率800～1 200 W；有效載荷模塊化設(shè)計(jì)，應(yīng)包括光電/紅外傳感器、無線電系統(tǒng)等；無人機(jī)至少可重復(fù)使用20次，具備空基發(fā)射回收能力；出廠單價(jià)(不包括載荷)低于70萬美元/臺(tái)。

飛行控制系統(tǒng)為無人機(jī)提供了精確飛行和適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的能力。低成本固定翼無人機(jī)的飛行控制具有較大的挑戰(zhàn)性，主要包括：

1) 模型不精確：固定翼無人機(jī)氣動(dòng)復(fù)雜、操縱耦合，且可控制性不足。特別地，由于成本原因，小型無人機(jī)很難采用風(fēng)洞吹風(fēng)等手段建立準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)模型。

2) 交叉耦合：固定翼無人機(jī)的動(dòng)力學(xué)和控制嚴(yán)重耦合。通常情況下，無人機(jī)平臺(tái)控制采用解耦方法分內(nèi)層姿態(tài)和外層位置控制。然而，這2層 間是嚴(yán)重耦合的，如協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎時(shí)涉及滾轉(zhuǎn)和航線控制，速度控制也通常和高度耦合。

3) 噪聲：一般來說，傳感器越昂貴，測(cè)量就越精確。因此，集群中對(duì)無人機(jī)的低成本要求導(dǎo)致了其獲取信息的噪聲和不準(zhǔn)確。

4) 風(fēng)擾：無人機(jī)飛行過程不可避免地受到風(fēng)的干擾。風(fēng)擾，尤其是側(cè)風(fēng)對(duì)無人機(jī)飛行影響重大。在集群任務(wù)飛行中，無人機(jī)常需低空飛行(通常低于1 000 m，甚至不超過100 m)，以便對(duì)地面物體進(jìn)行抵近觀察。低空飛行的風(fēng)擾給控制影響更為嚴(yán)重。對(duì)于小型固定翼無人機(jī)來說氣流擾動(dòng)的速度會(huì)占到無人機(jī)巡航速度的 20%～60%。

為解決飛行控制問題，研究人員開展了許多理論和工程研究。各種開源自駕儀被廣泛的應(yīng)用在小型固定翼無人機(jī)系統(tǒng)中[70]。它們一般采用分層控制策略，通常包含位置層、姿態(tài)層和執(zhí)行層，各層采用不同的控制頻率[69]。各層控制方法大多采用各種比例-微分(PD)控制或者自抗擾控制 (ADRC)[73]。特別地，運(yùn)動(dòng)控制，包括軌跡跟蹤和路徑跟蹤控制，作為無人機(jī)自主飛行的直接體現(xiàn)，在近年受到廣泛關(guān)注[74-75]。相比于軌跡跟蹤，路徑跟蹤無需考慮時(shí)間參數(shù)化表示，在集群任務(wù)飛行中得到了廣泛的應(yīng)用。各類路徑跟蹤算法通?？梢詣澐譃榫€性和非線性控制方法。線性方法主要包括比例-積分-微分(PID)[76], 線性二次型調(diào)節(jié)器(LQR)[77-78]等，非線性方法包括矢量場(chǎng)法[79-81], 視線法[82], 虛擬跟蹤目標(biāo)法[83], 基于非線性控制理論方法等[84-86]。文獻(xiàn)[87]針對(duì)小型固定翼無人機(jī)的路徑跟蹤問題，分析比較了5種算法的性能，分別為逐點(diǎn)法(carrot-chasing), 非線性導(dǎo)航律(NLGL), 純追蹤和視線法(PLOS), LQR,和矢量場(chǎng)(VF)法。結(jié)論表明在直線和圓形路徑跟蹤中，VF法的跟蹤精度等性能最高。但是針對(duì)更一般意義上的曲線路徑跟蹤問題，目前還沒有類似的比較性研究。

集群無人機(jī)另一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題為自主起飛和著陸。與單個(gè)無人機(jī)相比，集群無人機(jī)的自主起降具有更大的挑戰(zhàn)性。需考慮3個(gè)方面的問題：

1) 魯棒性：因?yàn)榧褐械臒o人機(jī)可能具有不同負(fù)載、不同質(zhì)量分布和不同機(jī)械條件，且在不同的風(fēng)場(chǎng)條件中工作，故而起降控制在存在質(zhì)量變化、機(jī)械不確定或風(fēng)擾時(shí)應(yīng)具有較好魯棒性。

2) 快速性：因?yàn)榧簾o人機(jī)數(shù)量多，需要盡可能地降低單個(gè)無人機(jī)的起飛或著陸時(shí)間，以最大限度地延長(zhǎng)任務(wù)時(shí)間。

3) 意外事件的快速處理：為避免連續(xù)起降過程中的連鎖反應(yīng)，應(yīng)快速地處理起降過程中可能的突發(fā)事件。

目前，專門針對(duì)集群無人機(jī)特性的起降控制研究還很少，還值得在理論和工程中進(jìn)行進(jìn)一步的探索。

3.2.5 集群飛行與隊(duì)形重構(gòu)

集群自主飛行是無人機(jī)協(xié)同執(zhí)行任務(wù)的基礎(chǔ)，也是在復(fù)雜環(huán)境中遂行集群突防、分布探測(cè)和分布打擊等基本任務(wù)。面對(duì)不同的任務(wù)剖面、環(huán)境約束或者任務(wù)變化，集群通常需要變換隊(duì)形以高效完成任務(wù)。故而，隊(duì)形保持和重構(gòu)的效果決定了無人機(jī)集群協(xié)同執(zhí)行能力的有效性。

集群自主飛行與隊(duì)形重構(gòu)是指設(shè)計(jì)分布式控制律使無人機(jī)集群保持特定三維結(jié)構(gòu)的姿態(tài)和位置穩(wěn)定飛行，達(dá)到時(shí)間和空間的同步，并能自動(dòng)根據(jù)外部環(huán)境和任務(wù)動(dòng)態(tài)調(diào)整隊(duì)形。但是，固定翼無人機(jī)欠驅(qū)動(dòng)和輸入受限等模型約束，以及外部干擾、信息不完全等不確定條件，使得傳統(tǒng)的多智能體協(xié)同控制方法難以直接擴(kuò)展應(yīng)用。學(xué)者們圍繞編隊(duì)控制，產(chǎn)生了一大批豐碩的理論成果，可參考綜述文章[60-61,88-89]。

常用到的集群飛行控制方法脫胎于常見的多智能體協(xié)同控制方法，下面主要介紹領(lǐng)航-跟隨法和虛擬結(jié)構(gòu)法。

1) 領(lǐng)航-跟隨法：將集群中某架無人機(jī)或引入一虛擬的無人機(jī)作為領(lǐng)航者(長(zhǎng)機(jī))，其余無人機(jī)作為跟隨者(僚機(jī))一起隨領(lǐng)航者運(yùn)動(dòng)。該方法是目前無人機(jī)編隊(duì)控制中應(yīng)用最普遍、最基礎(chǔ)的一種方法。Leader-follower控制律主要是針對(duì)跟隨者的控制律，領(lǐng)航者則需要采用其他的控制手段。例如，文獻(xiàn)[90-91]采用無線電信號(hào)控制領(lǐng)航者，針對(duì)跟隨者設(shè)計(jì)了跟蹤領(lǐng)航者的編隊(duì)控制律，實(shí)現(xiàn)了2架固定翼無人機(jī)的編隊(duì)飛行；其中，跟隨者控制律分為外環(huán)和內(nèi)環(huán)2層，外環(huán)控制器以最小化跟隨者相對(duì)于領(lǐng)航者的位置誤差為目標(biāo)，生成期望的滾轉(zhuǎn)角和俯仰角以交給內(nèi)環(huán)控制。文獻(xiàn)[92]使領(lǐng)航者沿航線飛行，跟隨者借助于機(jī)載的視角傳感器估計(jì)領(lǐng)航者的位置，利用設(shè)計(jì)的編隊(duì)控制律，實(shí)現(xiàn)了2架固定翼無人機(jī)按兩倍翼展距離的緊密編隊(duì)飛行。北京航空航天大學(xué)段海濱教授所在的研究團(tuán)隊(duì)將領(lǐng)航-跟隨法結(jié)合文獻(xiàn)[93]中鴿群的分層策略[93]，設(shè)計(jì)了小規(guī)模無人機(jī)集群的分布式控制方法，并通過8架無人機(jī)的集群仿真對(duì)算法加以驗(yàn)證[94]。文獻(xiàn)[50]對(duì)20架固定翼無人機(jī)采用領(lǐng)航-跟隨法進(jìn)行了飛行驗(yàn)證，但是該文獻(xiàn)并未給出控制律的具體形式。而文獻(xiàn)[90-94]雖針對(duì)固定翼無人機(jī)設(shè)計(jì)了跟隨領(lǐng)航者的控制律，但是未作閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析，也未考慮固定翼無人機(jī)控制受限的影響。

值得一提的是，領(lǐng)航-跟隨法作為最基本的編隊(duì)控制框架，很容易與其他方法——如勢(shì)場(chǎng)法[95-96]等相結(jié)合，還可應(yīng)用諸如模型預(yù)測(cè)控制[97]、滑?？刂芠96,98-99]。領(lǐng)航-跟隨法的主要問題是當(dāng)領(lǐng)航者損毀后，可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)編隊(duì)的癱瘓，為解決這一問題，很多研究使用虛擬領(lǐng)航者，并將編隊(duì)中多個(gè)真實(shí)的個(gè)體作為虛擬領(lǐng)航者的直接跟隨者[100-101]，以避免全局領(lǐng)航者損毀后“牽一發(fā)而動(dòng)全身”。文獻(xiàn)[100]研究了虛擬領(lǐng)航者的軌跡對(duì)各無人機(jī)已知的情況，以及虛擬領(lǐng)航者始終為當(dāng)前無人機(jī)編隊(duì)重心時(shí)的情況，并用3架固定翼無人機(jī)對(duì)控制律加以驗(yàn)證。文獻(xiàn)[102]研究了虛擬領(lǐng)航者的狀態(tài)僅對(duì)部分無人機(jī)已知，需對(duì)其他無人機(jī)設(shè)計(jì)分布式估計(jì)器估計(jì)虛擬領(lǐng)航者的位置，從而實(shí)現(xiàn)協(xié)同控制的問題。

2) 虛擬結(jié)構(gòu)法。最早由文獻(xiàn)[103]提出，其核心思想是每個(gè)無人機(jī)跟隨一個(gè)移動(dòng)的剛性結(jié)構(gòu)上的固定點(diǎn)。加拿大多倫多大學(xué)的劉洪濤教授團(tuán)隊(duì)利用虛擬結(jié)構(gòu)法研究了多無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)問題，并進(jìn)行了數(shù)值仿真[104]。文獻(xiàn)[105]提出一種動(dòng)態(tài)虛擬結(jié)構(gòu)編隊(duì)控制方法，可使固定翼無人機(jī)沿規(guī)劃的編隊(duì)軌跡飛行時(shí)完成隊(duì)形變換。

虛擬結(jié)構(gòu)法很好地避免了傳統(tǒng)領(lǐng)航-跟隨法當(dāng)全局領(lǐng)航者損毀后，整個(gè)編隊(duì)面臨癱瘓的問題。事實(shí)上，虛擬領(lǐng)航者本質(zhì)上也是將傳統(tǒng)的領(lǐng)航-跟隨法與虛擬結(jié)構(gòu)法相結(jié)合[100]。虛擬領(lǐng)航者可以看成是基于虛擬結(jié)構(gòu)法確定，每個(gè)無人機(jī)相對(duì)于虛擬領(lǐng)航者保持期望的位形，這一點(diǎn)又類似于領(lǐng)航-跟隨法中對(duì)于跟隨者的控制。由此，虛擬結(jié)構(gòu)法與領(lǐng)航—跟隨法二者的界限在一定程度上也變得模糊。文獻(xiàn)[106]在基于虛擬結(jié)構(gòu)法設(shè)計(jì)三維空間內(nèi)固定翼無人機(jī)的編隊(duì)控制策略時(shí)，文獻(xiàn)[107]基于虛擬結(jié)構(gòu)法設(shè)計(jì)獨(dú)輪車群體隊(duì)形保持控制律時(shí)，都用到了虛擬領(lǐng)航者這一概念。

對(duì)于小型固定翼無人機(jī)，由于受最小前向速度和非線性動(dòng)力學(xué)的約束，集群飛行面臨著新的挑戰(zhàn)。目前關(guān)于固定翼無人機(jī)集群飛行的研究還較少。Gu等[90]設(shè)計(jì)了“外環(huán)導(dǎo)航/內(nèi)環(huán)控制”的內(nèi)外環(huán)結(jié)構(gòu)的編隊(duì)控制器；Xargay等[75]研究了嚴(yán)格時(shí)序約束條件下的多無人機(jī)協(xié)同路徑跟蹤問題；美國(guó)海軍研究院完成了50架規(guī)模的固定翼集群飛行演示驗(yàn)證，但并未涉及大規(guī)模集群的隊(duì)形保持、隊(duì)形變換等協(xié)同控制問題[50]。故而，如何基于小型固定翼的平臺(tái)性能約束，并考慮非理想通信等不確定性條件，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模無人機(jī)集群飛行，仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)性問題。

3.2.6 集群安全與沖突消解

無人機(jī)集群的安全控制是系統(tǒng)能夠順利執(zhí)行飛行任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要包括集群飛行安全和集群使用安全。

集群飛行安全指在復(fù)雜環(huán)境中，集群能夠無碰撞地飛行，主要包括集群內(nèi)部的機(jī)間防撞和對(duì)集群外部障礙的規(guī)避。一方面，無人機(jī)集群的任務(wù)環(huán)境通常較為復(fù)雜，例如建筑物密布的城市環(huán)境、山峰懸崖林立的山區(qū)環(huán)境、樹木飛鳥集聚的森林環(huán)境甚至動(dòng)態(tài)未知的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境等，無人機(jī)集群飛行中不可避免地面臨與環(huán)境中各種障礙物發(fā)生碰撞的危險(xiǎn)；另一方面無人機(jī)的數(shù)量規(guī)模不斷擴(kuò)大，集群內(nèi)各無人機(jī)在隊(duì)形變換以及任務(wù)調(diào)度過程中極有可能因?yàn)槁窂浇徊嬉约帮w行不確定性等因素而發(fā)生碰撞沖突。近年來無人機(jī)的撞擊事故頻頻發(fā)生。2014—2016年間，官方報(bào)道的無人機(jī)與大型客機(jī)危險(xiǎn)接近、發(fā)生撞擊的事件一共達(dá)到24起。2017年以來的情況更加嚴(yán)峻，相關(guān)的事故接連發(fā)生并且被頻頻報(bào)道。因此進(jìn)行集群系統(tǒng)飛行安全控制的研究至關(guān)重要。

集群飛行安全控制問題的核心是碰撞規(guī)避問題?，F(xiàn)有研究已經(jīng)提出了各種各樣的理論方法[108-111]。綜合考慮各種方法的作用時(shí)間、適用場(chǎng)景以及理論基礎(chǔ)，主要可分為路徑規(guī)劃、優(yōu)化控制、以及反應(yīng)式控制3類。

1) 基于路徑規(guī)劃的碰撞規(guī)避[112]：基于先驗(yàn)信息的全局路徑規(guī)劃算法最先應(yīng)用于障礙規(guī)避的相關(guān)研究中，相關(guān)算法也擴(kuò)展到了多智能體系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)全局的協(xié)同路徑規(guī)劃，但是該類算法對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境障礙的可擴(kuò)展性較低。目前，基于傳感器在線感知的局部路徑規(guī)劃算法更多地用于動(dòng)態(tài)環(huán)境的碰撞規(guī)避研究。相關(guān)方法包括A*、D*等圖搜索算法，混合整數(shù)線性規(guī)劃等數(shù)值優(yōu)化算法，遺傳算法、粒子群算法等啟發(fā)式算法，以及勢(shì)場(chǎng)法。路徑規(guī)劃用于沖突消解通常能夠得到一條優(yōu)化的無碰撞的飛行路徑，但是缺點(diǎn)通常是反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，并且對(duì)于運(yùn)動(dòng)受限的固定翼無人機(jī)，不一定能夠找到可行解[109-110]。

2) 基于優(yōu)化控制的碰撞規(guī)避[113]：基于優(yōu)化控制的碰撞規(guī)避包括基于博弈論的方法、基于遺傳的方法、和基于預(yù)測(cè)控制的方法等。其中模型預(yù)測(cè)控制方法憑借其預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)時(shí)域、和反饋校正3個(gè)機(jī)制，能夠顯式的處理各種約束條件，在碰撞規(guī)避問題中得到了大量的研究成果。并且，針對(duì)多智能體系統(tǒng)發(fā)展而來的分布式模型預(yù)測(cè)控制方法，能夠顯式的應(yīng)對(duì)子系統(tǒng)之間的耦合約束，因此在多機(jī)器人和多無人機(jī)系統(tǒng)的研究中也得到了眾多學(xué)者的關(guān)注。存在的問題是，非線性、不確定性以及運(yùn)動(dòng)受限等系統(tǒng)特點(diǎn)對(duì)模型預(yù)測(cè)控制算法的理論分析帶來了很多挑戰(zhàn)，關(guān)于魯棒模型預(yù)測(cè)控制、非線性模型預(yù)測(cè)控制以及分布式模型預(yù)測(cè)控制的相關(guān)理論研究有待進(jìn)一步研究和發(fā)展[114]。

3) 基于反應(yīng)式控制的碰撞規(guī)避[115]：反應(yīng)式的碰撞規(guī)避方法主要包括基于規(guī)則的、和基于幾何的2類。其中典型的算法包括速度障礙法、互惠速度障礙法等。該算法也進(jìn)一步擴(kuò)展至多智能體以及群體運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景。該類算法的典型優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)快[109,115]。

綜上，基于路徑規(guī)劃的碰撞規(guī)避更新周期較長(zhǎng)，適用于較遠(yuǎn)距離的碰撞沖突場(chǎng)景；基于優(yōu)化控制的碰撞規(guī)避的靈活性和適應(yīng)性更強(qiáng)，適用于中短距離范圍的沖突場(chǎng)景；基于反應(yīng)式控制的碰撞規(guī)避反應(yīng)時(shí)間短，對(duì)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的響應(yīng)速度快，以最高優(yōu)先級(jí)保證安全，適用于近距離尤其是各種突發(fā)的緊急碰撞沖突場(chǎng)景。盡管現(xiàn)有研究多種多樣，但一個(gè)關(guān)鍵問題是：現(xiàn)有方法大多針對(duì)單一或者特定的沖突場(chǎng)景，缺乏針對(duì)一體化任務(wù)環(huán)境的整體性系統(tǒng)解決方案。

集群使用安全是集群運(yùn)用過程中安全相關(guān)問題，包括集群網(wǎng)絡(luò)安全、導(dǎo)航欺騙安全等。網(wǎng)絡(luò)安全方面，主要針對(duì)無人機(jī)集群通信被干擾或者部分無人機(jī)損毀(例如攻擊與誘捕等)后的響應(yīng)。一種方案是進(jìn)行通信中斷/平臺(tái)損毀后的拓?fù)渲貥?gòu)[116-117]，另一方案是設(shè)計(jì)具有一定抗毀性的通信拓?fù)鋄118-119]。導(dǎo)航欺騙方面，主要針對(duì)機(jī)載GPS等導(dǎo)航系統(tǒng)模擬信號(hào)誘騙的響應(yīng)。一種方案為加強(qiáng)導(dǎo)航信號(hào)的識(shí)別和校核，另一種方法為研究各種GPS拒止環(huán)境中的導(dǎo)航技術(shù)，比如仿生導(dǎo)航[120]、視覺導(dǎo)航[121]等。

3.2.7 集群指揮控制

無人機(jī)集群協(xié)同極大地提高了遂行復(fù)雜任務(wù)的能力，但與此同時(shí)，隨著集群中無人機(jī)平臺(tái)數(shù)量/類型的不斷增加、任務(wù)類型的不斷擴(kuò)展，如何高效地管控?zé)o人機(jī)集群，實(shí)現(xiàn)低人機(jī)比的集群指揮控制面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

近年來，國(guó)內(nèi)外在多無人機(jī)系統(tǒng)指揮控制技術(shù)方面已取得了豐碩的成果。美國(guó)諾·格、通用原子、波音、洛·馬、雷聲等參與軍方項(xiàng)目的公司已經(jīng)進(jìn)行了深入研究，并開展了相應(yīng)的飛行試驗(yàn)。例如，美國(guó)雷聲公司利用混合主動(dòng)人機(jī)交互技術(shù)，推出能同時(shí)控制多架無人作戰(zhàn)飛機(jī)的駕駛艙(UCS)[122]，是全世界第一種可以同時(shí)操縱多達(dá)8架空中、陸地或海上不同無人作戰(zhàn)飛機(jī)的地基駕駛艙。Proxy航空系統(tǒng)公司利用其開發(fā)的通用分布式管理系統(tǒng)(UDMS)[123]，完成了2架“SkyWatcher”與2架“SkyRaider”無人機(jī)的協(xié)同飛行驗(yàn)證，并能夠支持多達(dá)12個(gè)空中節(jié)點(diǎn)和超過30個(gè)地面節(jié)點(diǎn)(包括傳感器)的指揮控制。在美國(guó)軟件使能計(jì)劃(Software Enabled Control，SEC)[124]相關(guān)試驗(yàn)中，麻省理工的研究人員研制出的有人機(jī)對(duì)無人機(jī)制導(dǎo)系統(tǒng)能使駕駛員通過飛行級(jí)英語話音指令制導(dǎo)控制另一架無人機(jī)，使無人機(jī)能夠及時(shí)對(duì)突然改變的計(jì)劃做出反應(yīng)并避開意外威脅。但是，對(duì)于無人機(jī)集群的指揮控制技術(shù)，尚處于萌芽發(fā)展階段。

為滿足低人機(jī)比集群指控的要求，提高指揮員指控水平和態(tài)勢(shì)認(rèn)知水平，需要研究適合指揮員習(xí)慣的語義邏輯任務(wù)描述方法，以更貼近于人類的方式對(duì)集群下達(dá)指控指令，綜合運(yùn)用語音/手勢(shì)/眼動(dòng)/觸覺等多種模式相結(jié)合的集群指控手段，來提高指揮員的指控水平，降低其認(rèn)知負(fù)擔(dān)和工作負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)低人機(jī)比條件下集群指控。Shah和Breazeal[125]提出，現(xiàn)有的人機(jī)交互系統(tǒng)主要通過顯式信息(明確的口頭信息等)及隱式信息(表情、手勢(shì)以及注視方向等)來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互控制。在顯式信息交互方面，文獻(xiàn)[126]中機(jī)器人能使用各種參考系(以自我、對(duì)象或外部為中心)有效響應(yīng)人類的口頭命令；文獻(xiàn)[127]通過中央任務(wù)管理器將任務(wù)分配給機(jī)器人，進(jìn)一步通過口頭交流有關(guān)目標(biāo)、能力、計(jì)劃和成就的信息來完成協(xié)調(diào)。在隱式信息交互方面，文獻(xiàn)[128]使用機(jī)器目光建立共同注意力，將點(diǎn)頭用于鞏固彼此的理解；進(jìn)一步，文獻(xiàn)[129]使用人的注視信息進(jìn)行意圖解釋，例如猶豫或是搜索跑動(dòng)對(duì)象；文獻(xiàn)[130]介紹了基于手勢(shì)的人機(jī)交互并將其分為2類，其中自由形式的交互允許用戶使用指示性手勢(shì)選擇機(jī)器人的子集并分配目標(biāo)和軌跡，而形狀受限的交互要求用戶只對(duì)定義了整個(gè)形狀自由度所對(duì)應(yīng)的子集實(shí)施控制；文獻(xiàn)[131]提出一種系統(tǒng)用于生成新一代的腦群控制接口，并為操作員提供對(duì)多智能體系統(tǒng)的豐富控制能力。

此外，隨著任務(wù)復(fù)雜度、任務(wù)執(zhí)行環(huán)境高動(dòng)態(tài)不確定性的影響，集群指控技術(shù)還需具備更高的自動(dòng)化和智能化程度，將操作員從基本的任務(wù)剖面中解放出來，使其關(guān)注更高層次的決策與關(guān)鍵事件確認(rèn)，通過智能化輔助決策系統(tǒng)，以“人在回路之上”方式完成無人機(jī)集群同步協(xié)調(diào)控制，提升動(dòng)態(tài)不確定條件下任務(wù)執(zhí)行的有效性及時(shí)效性，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化、高效性的集群指揮。美國(guó)DARPA早在2007年啟動(dòng)了“深綠(Deep Green)”計(jì)劃[132]，其核心是通過分析推斷指揮員意圖，形成作戰(zhàn)方案的備選集合，提高指揮員的臨機(jī)決策速度。2016 年，美軍啟動(dòng)了指揮官虛擬參謀(Commander’s Virtual Staff)項(xiàng)目[133]，旨在通過認(rèn)知計(jì)算，高效處理戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)，自主推薦任務(wù)清單，輔助指揮員進(jìn)行決策。Stodola和Mazal[134]提出了一個(gè)戰(zhàn)術(shù)決策輔助系統(tǒng)TDSS，并建立了基于無人機(jī)編隊(duì)偵察監(jiān)視的戰(zhàn)術(shù)輔助模型。此外，國(guó)防科技大學(xué)王菖等[135-136]提出了基于指揮人員關(guān)注度和操作模型的信息調(diào)度算法，并提出了基于“人”疲勞度和錯(cuò)誤率模型的自適應(yīng)自主調(diào)度策略，實(shí)現(xiàn)了人-系統(tǒng)交互與功能分配的柔性切換過程。

4 未來發(fā)展趨勢(shì)

無人機(jī)集群兼具機(jī)械化、信息化和智能化的特點(diǎn)，有望在未來軍民領(lǐng)域發(fā)揮重大作用，但是目前尚不具備在復(fù)雜環(huán)境中分布執(zhí)行任務(wù)的能力。集群協(xié)同的關(guān)鍵技術(shù)，如體系架構(gòu)、通信組網(wǎng)、規(guī)劃決策、集群飛行等，雖然開展的研究較多，但是較少針對(duì)小型固定翼無人機(jī)的特點(diǎn)和復(fù)雜環(huán)境的任務(wù)需求展開。未來集群系統(tǒng)的發(fā)展，可以從以下6個(gè)方面考慮。

4.1 以群體智能為牽引，構(gòu)建具有任務(wù)能力的無人機(jī)集群系統(tǒng)

群體智能廣泛存在于狼群圍獵、鳥群遷徙等生物群體活動(dòng)和群策群力、頭腦風(fēng)暴等人類社會(huì)活動(dòng)中。其基本原理是通過個(gè)體之間的合作與競(jìng)爭(zhēng)，聚合簡(jiǎn)單個(gè)體行為形成群體合力，完成單純依靠數(shù)量疊加所無法勝任的復(fù)雜任務(wù)。無人機(jī)集群具有較強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)能力和一定的感知決策能力，可模仿狼群、鳥群等生物群體活動(dòng)，以無中心自組織的方式協(xié)同完成復(fù)雜任務(wù)。故而，一方面無人機(jī)集群是群體智能技術(shù)驗(yàn)證和應(yīng)用的理想載體之一；另一方面群體智能將賦能無人機(jī)集群系統(tǒng)，使得其能更高效地完成各類任務(wù)。

目前群體智能和集群系統(tǒng)的研究均較多，但是很多研究都停留在理論層面。特別地，如何有效結(jié)合兩者，如何根據(jù)群體智能的需求構(gòu)建無人機(jī)集群系統(tǒng)，如何根據(jù)任務(wù)需求提升集群系統(tǒng)的智能程度，開辟一條從理論到實(shí)踐切實(shí)可行的方法路線尚有待于突破。

4.2 以多樣化任務(wù)為導(dǎo)向，設(shè)計(jì)易擴(kuò)展互操作的集群體系結(jié)構(gòu)

集群系統(tǒng)本質(zhì)為數(shù)量眾多的獨(dú)立同構(gòu)/異構(gòu)實(shí)體通過通信構(gòu)成交聯(lián)的復(fù)雜巨系統(tǒng)。隨著規(guī)模增加，集群系統(tǒng)的復(fù)雜度不論在理論研究還是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上，均呈指數(shù)上升。故而，體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)一方面要解決該復(fù)雜系統(tǒng)的信息流/控制流的交互組織問題，另一方面也需要盡量在軟件/硬件上降低系統(tǒng)的耦合度和復(fù)雜性。通過規(guī)范化/標(biāo)準(zhǔn)化的軟件模塊、硬件組件和機(jī)間交互協(xié)議的設(shè)計(jì)，將不同數(shù)量，甚至是不同類型的無人平臺(tái)高效地結(jié)合在一起，是體系結(jié)構(gòu)等頂層設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)。特別地，現(xiàn)有集群系統(tǒng)往往只考慮執(zhí)行單一任務(wù)，但未來期望集群系統(tǒng)能夠遂行多種不同的任務(wù)，比如同時(shí)兼顧邊境巡查、區(qū)域封控、通信阻塞等，體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要同時(shí)考慮多樣化任務(wù)需求。故而設(shè)計(jì)規(guī)模易擴(kuò)展、適宜于不同任務(wù)的體系結(jié)構(gòu)，是集群系統(tǒng)必須考慮的頂層設(shè)計(jì)。

4.3 以分布式在線處理為特征，提升協(xié)同OODA回路響應(yīng)時(shí)間和行為決策能力

無人機(jī)集群需考慮多平臺(tái)空間約束、時(shí)間約束、任務(wù)耦合約束以及相互耦合關(guān)系等，其狀態(tài)空間將隨無人機(jī)的數(shù)量呈冪指數(shù)增長(zhǎng)，使得集群系統(tǒng)的“OODA”必須以分布方式進(jìn)行。同時(shí)，集群可以采用多平臺(tái)多視角等相關(guān)關(guān)系，提升“OODA”的效能。但是，現(xiàn)有“OODA”回路的相關(guān)算法大多采用集中式處理，很難直接擴(kuò)展到規(guī)模較大、且可利用相關(guān)關(guān)系的集群系統(tǒng)中。另一方面，集群系統(tǒng)機(jī)載計(jì)算和存儲(chǔ)能力非常有限。但是集群在動(dòng)態(tài)時(shí)變環(huán)境中，比如對(duì)時(shí)敏目標(biāo)的察打一體中，需要很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。需要較大計(jì)算/存儲(chǔ)的OODA算法無法直接在集群系統(tǒng)中使用或者難以滿足快速OODA的需求。故而，滿足機(jī)載性能要求，采用分布式處理的快速“OODA”相關(guān)算法，將是集群系統(tǒng)未來的重要發(fā)展方向。

4.4 以意外事件處理為核心，設(shè)計(jì)大規(guī)模集群協(xié)同飛行控制算法

目前，固定翼無人機(jī)集群飛行規(guī)模已達(dá)100架以上，但尚未見公開發(fā)表的學(xué)術(shù)論文。系統(tǒng)規(guī)模的進(jìn)一步增大，關(guān)鍵在于其可擴(kuò)展性研究。良好的可擴(kuò)展性可以確保無人機(jī)動(dòng)態(tài)加入和退出集群時(shí)，系統(tǒng)仍然能夠維持較好的穩(wěn)定性，并能夠保持較好的控制精度。故而，集群規(guī)?？蓴U(kuò)展性研究在理論與實(shí)際應(yīng)用上具有巨大的價(jià)值。

另一方面，現(xiàn)有飛行主要是在理想環(huán)境中進(jìn)行。面向?qū)嶋H任務(wù)時(shí)，不可避免地存在各種意外情況，比如無人機(jī)部分損毀、各類空中移動(dòng)障礙、突發(fā)天氣變化、通信干擾壓制、導(dǎo)航欺騙等。以意外事件處理為核心研究大規(guī)模集群穩(wěn)健協(xié)同問題，將是無人機(jī)集群系統(tǒng)執(zhí)行對(duì)抗性任務(wù)的行為基礎(chǔ)。

4.5 以低成本輕質(zhì)化為特色，牽引無人機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)/載荷/通信系統(tǒng)的研制

集群系統(tǒng)往往以規(guī)模優(yōu)勢(shì)取代質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)，且不畏懼部分平臺(tái)的損毀，故而大規(guī)模集群系統(tǒng)往往嚴(yán)格限制單機(jī)系統(tǒng)的成本，包括平臺(tái)、機(jī)載控制器、感知/打擊載荷、以及通信端機(jī)等。同時(shí)，小型固定翼無人機(jī)的掛載重量非常有限，對(duì)上述載荷的重量也有嚴(yán)格要求?，F(xiàn)有的無人機(jī)載荷往往追求大而全，性能較高，但是質(zhì)量較重、價(jià)格較高，并不適合在無人機(jī)集群上直接使用。故而，研發(fā)滿足集群需求的低成本輕質(zhì)化平臺(tái)和載荷，對(duì)集群任務(wù)能力的形成至關(guān)重要。

4.6 以平行仿真為手段，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的標(biāo)準(zhǔn)化開放性集群協(xié)同測(cè)試環(huán)境

集群系統(tǒng)的發(fā)展方興未艾，但是大規(guī)模集群的試驗(yàn)驗(yàn)證，組織困難且成本高昂，很大程度上限制了集群系統(tǒng)的能力提升。另一方面，集群協(xié)同理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究缺乏整體牽引性，各種集群協(xié)同算法煙囪式發(fā)展，缺乏統(tǒng)一的基本任務(wù)、基礎(chǔ)平臺(tái)和可行的比較評(píng)判。一種可行的方式是采用平行仿真手段構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的集群系統(tǒng)，既包含部分實(shí)物系統(tǒng)，也可任意添加高保真度的虛擬無人機(jī)系統(tǒng)，兩者混合執(zhí)行任務(wù)。同時(shí)，設(shè)計(jì)典型任務(wù)，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)環(huán)境和開發(fā)接口，并以競(jìng)賽的方式推廣開放開源給相關(guān)研究單位，協(xié)力推動(dòng)群體協(xié)同系統(tǒng)任務(wù)能力的提升。

5 結(jié) 論

本文從無人機(jī)系統(tǒng)內(nèi)涵、現(xiàn)有典型項(xiàng)目、關(guān)鍵技術(shù)3個(gè)角度出發(fā)，對(duì)國(guó)內(nèi)外小型固定翼無人機(jī)集群進(jìn)行了全面綜述。其中，在系統(tǒng)內(nèi)涵方面，首先介紹了無人機(jī)集群系統(tǒng)的基本概念，分析了無人機(jī)集群協(xié)同執(zhí)行任務(wù)的優(yōu)勢(shì)，并給出了其在軍民領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。在典型項(xiàng)目方面，從集群協(xié)同模式、指揮體系架構(gòu)、基礎(chǔ)性研究、集群驗(yàn)證4個(gè) 視角總結(jié)現(xiàn)有典型項(xiàng)目。在關(guān)鍵技術(shù)方面，對(duì)體系架構(gòu)、通信組網(wǎng)、決策與規(guī)劃、飛機(jī)平臺(tái)、集群飛行、集群指控等核心要素進(jìn)行深度分析。在此基礎(chǔ)上，論文展望了未來小型固定翼無人機(jī)集群的發(fā)展趨勢(shì)，期望能夠?qū)ξ磥頍o人集群系統(tǒng)的發(fā)展起到一定的牽引作用。