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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 | 11008 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。……

2、可提升任务执行能力,完成单机完成不好或者不能完成的任务。协作的无人集群系统能够实现超过单个智能无人系统叠加的功能和效率,具备良好的包容性和扩展性。在大地测量和气象观测等领域,无人机集群携带分布载荷可完成单机无法完成的多点测量任务;在环境监测等领域,可组成移动传感器网络有效监测大范围的空气质量。在军事领域,无人机集群可以形成点面结合、灵活分组的自主系统,完成单个大型人机无法完成的任务。比如执行协同察打任务的无人机集群,部分无人机可以执行未知区域搜索的任务,部分无人机可以执行重点目标跟踪的任务,部分无人机可以执行目标打击任务等;甚至可通过接力方式,实现对穿越山洞等遮蔽环境目标的持续跟踪。

3、 具有更高的经济可承受性。通过合理的布局和协同控制,能够使用分散式的低成本无人机集群系统代替成本高昂的单个复杂系统,实现更多的经济效益。基于小型化、集成化、模块化的设计理念,和信息化、自动化、网络化的管理使用方式,可极大降低无人平台的生产、运输、维护、保障、使用成本。1000架规模的无人机集群系统,其成本将低于1颗侦察卫星或1架有人机,但其综合效能有望超越1颗侦察卫星或1架有人机。

1.3 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[1]。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。

1.4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。

2、可提升任务执行能力,完成单机完成不好或者不能完成的任务。协作的无人集群系统能够实现超过单个智能无人系统叠加的功能和效率,具备良好的包容性和扩展性。在大地测量和气象观测等领域,无人机集群携带分布载荷可完成单机无法完成的多点测量任务;在环境监测等领域,可组成移动传感器网络有效监测大范围的空气质量。在军事领域,无人机集群可以形成点面结合、灵活分组的自主系统,完成单个大型人机无法完成的任务。比如执行协同察打任务的无人机集群,部分无人机可以执行未知区域搜索的任务,部分无人机可以执行重点目标跟踪的任务,部分无人机可以执行目标打击任务等;甚至可通过接力方式,实现对穿越山洞等遮蔽环境目标的持续跟踪。

3、 具有更高的经济可承受性。通过合理的布局和协同控制,能够使用分散式的低成本无人机集群系统代替成本高昂的单个复杂系统,实现更多的经济效益。基于小型化、集成化、模块化的设计理念,和信息化、自动化、网络化的管理使用方式,可极大降低无人平台的生产、运输、维护、保障、使用成本。1000架规模的无人机集群系统,其成本将低于1颗侦察卫星或1架有人机,但其综合效能有望超越1颗侦察卫星或1架有人机。