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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 | 10635 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。……

1) CODE:旨在开发基础性的算法和软件,使得现有无人机能够以最小代价,在最小监督下协同工作,使得当前多人操作1架无人机的模式到1人同时操作6架或更多的无人机,以提高美军在拒止或对抗空域中分布式行动能力。项目按照计划分3阶段执行。

2018年11月,项目演示了装备CODE软件的无人机系统在“反介入区域拒止”环境下适应和响应意外威胁的能力。在真实/虚拟/构造环境下中,6架真实无人机和 24架 虚拟无人机,接收指挥官的任务目标后,自主协同导航、搜索、定位;并在通信和GPS拒止环境中,与模拟综合防空系统保护下的计划和突发的目标作战。CODE的可扩展能力极大增强了现有空中平台的生存性、灵活性和有效性,并减少无人系统的开发时间和成本。

2) SoSITE:开展分布式航空作战体系架构研究,发展能够快速集成任务系统/模块到体系的技术,并验证体系在战场中的有效性和鲁棒性。目标是使用简单的、廉价的无人机等平台组成集群,在开放性系统架构下,进行多作战平台和信息传输整合,最终优化作战形成分布式战力的方法。例如连接有人和无人机或者空中和地面载具、或者多种基础设施组件。

项目计划分2阶段进行,2018年7月,洛•马公司臭鼬工厂和DARPA开展了系列SoSITE项目飞行试验,验证了如何应用SoS方法和手段在对抗环境中对包括空、天、地、海、网络空间的各个作战域内的系统进行快速无缝的集成。该项目的成果可将任务系统快速并经济上可承受地集成到现有架构中,有助美军在瞬息万变的作战环境中维持作战优势。

 (CODE项目计划图) 

( SoSITE项目计划图)

3) DBM:SoSITE项目明确提出了发展分布式空战的概念、架构及技术集成工具,这必然带来组合爆炸的难题。针对这一挑战,DBM项目借助开发和验证分布式决策辅助软件,提供分布式的规划、控制以及态势理解等解决方案,以指导空战管理和空对地攻击等任务。在完成第1阶段论证和关键算法设计后,2017年9月,DARPA和AFRL进行了首轮飞行试验,验证了通信中断后多机系统可继续执行任务能力;2018年3月,BAE公司赢得了最终阶段合同,于2019年9月进行最后的飞行演示验证。

2.3 加强基础研究,突破核心关键技术

集合人工智能、控制理论、机器人、系统工程和生物学等领域专家,从自然集群的自组织机理着手,突破分布式集群体系架构、集群持久协同、协同感知-判断-决策-行动(OODA)、群体智能等核心技术,并将其应用到集群系统中。关键技术的研发大多由高校和具有强大科研实力的科技公司主导完成,其中决策与控制相关的技术进展参见第3节。这里主要介绍部分有较大影响的牵引性项目。

美国麻省理工学院How教授领导的小组自2006年起开展“无人机集群健康管理”(UAV Swarm Health Management)项目。“大规模分布式飞行器集群,在长时间任务中是有很大潜力以提供性能优势的。然而,如果没有一个高度集成的健康管理系统,这些性能优势是很难发挥出来的”。基于此,项目设计了无人机集群和地面车辆健康状态的任务规划算法,例如确定平台失效对任务的影响、使用真实硬件设备来验证加油和维护调度的最优策略等。10架四旋翼无人机系统的300余次测试验证了算法的有效性。

美国宾夕法尼亚大学GRASP(通用机器人自动控制、传感器和感知)实验室认为:未来将依赖于小型平台和传感器组成的大型网络在动态、资源有限的敌对环境中执行任务。为此,他们围绕集群协同:OODA回路展开研究,包括体系架构、分布感知、协同同步定位建图、编队飞行等。特别值得提及的是:2012年他们成功让16~20架小型四旋翼无人机(73 g)在室内组成各种形状的飞行编队,这是研究人员第1次实现了10架以上无人机的集群飞行,取得了轰动性的演示效应。 

( 16架无人机形成三维螺旋和金字塔)

在GRASP实验室旋翼机编队飞行的激励下,中美两国的科技公司在无人机集群数量上不断突破,使得无人机集群灯光秀逐步成为各大型活动的“标配”。2015年11月,英特尔公司在德国汉堡实现了100架四旋翼的室外灯光秀表演,从此拉开了无人机集群灯光秀的序幕;2018年英特尔公司在其成立50周年的庆典上放飞2018架无人机,曾创造了当时一次性使用无人机数量最多的世界纪录。

国内亿航、高巨创新、江西翼眸科技等公司,也多次完成无人机集群灯光秀表演。

2019年7月,翼眸科技公司在建国70周年之际,完成了2100架无人机集群的灯光秀表演。一般认为,灯光秀表演中的每一架无人机都已预先设定好轨迹,以轨迹跟踪或集中控制的方式完成。  

(翼眸科技庆祝建国70周年的灯光秀表演)

集群协同算法的开发和验证在地面机器人集群上开展得更为深入。考虑到规模因素,地面机器人集群往往严格控制单机器人的体积和成本。瑞士洛桑联邦理工学院开发了用于教学的e-puck机器人,每个机器人的直径仅有7.5cm,造价约250欧元;在此基础上,实现了20个e-puck机器人的聚集、觅食等协同行为。德国斯图加特大学设计了尺寸为30×30×20mm的Jasmine机器人,并在3×3m的区域内实现了规模达到105个机器人的聚集行为。美国哈佛大学Radhika Nagpal教授团队设计的Kilobot机器人,直径为3.3cm,单个造价仅为14美元,机器人只能通过振动的方式以1cm/s的速度运动;基于Kilobot机器人,该团队设计了觅食、编队等协同行为,并进行了上千规模(1024)的集群演示,集群系统在运行12h之后,能够自动排成“K”字形、五角星、扳手等图案。这也是机器人集群的规模首次达到千量级。