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小型固定翼无人机集群综述和未来发展
来源:尖兵之翼 | 作者:高博特 | 发布时间: 2023-05-08 | 10637 次浏览 | 分享到:
相比于旋翼无人机,固定翼无人机具有速度快、载重大、航程长等特点,在执行任务方面具有明显的优势。……


在自然界中,为弥补个体能力的有限,诸多生物种群都能通过个体相互之间交流和合作呈现出某种群体行为,比如鱼群的结群游弋、鸟群聚集迁徙以及蚂蚁协同搬运等。这些生物界的观察激励了研究人员深入探索集群系统群体行为的原理和模式,以期望实现仅通过系统内局部的信息交换,使外部呈现出规则有序的协同行为的工作机制。受此激励,人们希望开发像鸟群、鱼群一样自由集结可以执行全局任务的无人机集群系统。

近年来,无人机集群因其潜在的巨大应用价值得到快速发展。一般而言,集群借助无人机机间的局部交互实现机群的群体行为从而解决全局性的协同任务。无人机集群,能够以分布方式完成大量单机系统无法完成,或者由群体更有效完成的任务。相比于旋翼无人机,固定翼无人机具有速度快、载重大、航程长等特点,在执行任务方面具有明显的优势。特别地,小型固定翼无人机由于具有体积小、成本低、易使用的优点,是适宜于大规模集群使用的理想平台。

在此背景下,本文从集群系统内涵、现有典型项目、关键技术3个角度出发,对国内外小型固定翼无人机集群进行了全面综述。其中,在系统内涵方面,在介绍无人机集群系统基本概念的基础上,分析了无人机集群协同执行任务的优势,并给出了其在军民领域的广泛应用。在典型项目方面,从集群协同模式、指挥体系架构、基础性研究、集群验证4个视角总结现有典型项目。在关键技术方面,对体系架构、通信组网、决策与规划、飞机平台、集群飞行、集群指控等核心要素进行深度分析。此基础上,展望了未来小型固定翼无人机集群的发展趋势。具体而言,在给出无人机集群系统的概念和内涵基础上,本文的主要工作和贡献包括:

1) 系统总结了无人机集群项目的研究现状。采用自顶向下的方法,首次从集群协同模式探索、分布式指挥体系构建、核心关键技术突破和集群验证等方面综述了近年集群领域的代表性工作。

2) 从机载约束、数量规模、任务耦合、复杂动力学等角度深入分析了固定翼无人机集群控制的挑战。在此基础上,按照集群协同的技术体系,分别综述了体系架构、通信与组网、决策与规划、平台系统、集群飞行、集群安全、集群指控等核心关键技术的研究进展。

3) 针对小型固定翼无人机特点和面临的复杂环境任务需求,从群体智能牵引、多样化任务导向、分布在线处理、意外事件响应、低成本轻质化特色和平行仿真手段等角度,系统展望了这一领域未来的发展趋势。

1.1 无人机集群系统基本概念

无人机集群是将大量无人机在开放体系架构下综合集成,以平台间协同控制为基础,以提升协同任务能力为目标的分布式系统。一般而言,集群中的无人机不具有全局信息,通过相邻无人机间的交互,实现机群的群体行为,达到全局性协同目标。由于无人机集群行为是个体之间交互的结果,并不依赖于起主控作用的个体,因此集群系统通常具有鲁棒性、规模弹性和灵活性。

从生物集群,例如蚁群、蜂群等典型群体的特点出发,集群中的个体通常自主能力有限,但是群体通常具有3个典型特点:1) 去中心化:系统没有主导节点,一旦集群中任何个体消失或丧失功能,整个群体依然有序地执行任务。2) 自主化:无人为操控,且所有个体观察临近个体状态控制自身行为,但并不对任何其他个体产生直接控制作用。3) 自治化:所有个体形成稳定的集群结构,一旦任何个体脱离群体或因任何原因改变群体结构,新集群结构会快速形成并保持稳定。

1.2 无人机集群协同执行任务具有诸多优势

固定翼无人机集群协同执行任务已经成为无人机系统应用的重要发展趋势。自20世纪90年代以来,无人机在军民领域受到了空前的关注并得到了迅速发展。因响应速度快、使用成本低、部署灵活等独特优势,无人机被普遍认为是未来信息化发展的重要平台。但是,由于环境复杂性和任务多样性,单无人机通常难以满足很多实际任务需求,比如复杂恶劣的战场环境,遮蔽物众多的城市环境等,单无人机由于机载设备数量、感知视点及范围受限等缺陷,通常难以执行持续目标跟踪、全方位饱和攻击等任务。故而,集群协同执行任务逐渐成为趋势。相比于单个无人机,拥有分布式特征的无人机集群在协同执行任务方面具有诸多优势。具体而言:1、具有分布并行感知、计算和执行能力,更好的容错性和鲁棒性等。集群中的多架无人机可以通过异质传感器的互补搭配,实现传感的并行响应;可以通过执行器分别执行子任务,实现总任务的分布执行。当部分无人机出现故障时,其他无人机可以替代它完成预定任务,使集群系统具有较高的容错性和鲁棒性。比如,在使用集群执行察打一体任务时,无人机集群可调整不同无人机携带的不同侦察设备(如光电吊舱、合成孔径雷达(SAR))的姿态,对目标进行全方位、多角度侦测,提高感知范围和精度;可从多视角进行态势感知,比如重点区域/敏感目标的三维实时重构、隐藏/伪装目标的深度挖掘和学习分类等,获取不完全甚至冲突的局部态势信息;同时也可以对显著目标的异常行为进行分析和预判,比如敌方人员是否准备发动袭击、车辆/坦克是否集结进入作战准备、导弹是否进入发射状态、作战飞机是否准备起飞等;可从不同角度对同一高价值目标同时发动全方位饱和攻击,提高杀伤力和命中率。当由于自身故障或敌方攻击造成的部分无人机损失时,集群系统可通过敏捷重组,确保对重点目标的观测或打击效能不降级。