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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 | 10636 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。……

 

(Kilobot机器人及其形成的扳手图案)

群体智能也被普遍视为集群系统能力提升的关键技术,受到了多个领域研究者的普遍关注。群体智能往往被看作是对自然界的生物智能的模拟,通过设计简单规则使能力较弱的一群个体最终进化生成较复杂的群体行为。大量的代表性成果发表在Nature和Science及其子刊上。除Kilobot机器人外,近年来取得的代表性成果还有:哈佛大学的Werfel等受白蚁启发,设计了3个机器人,基于简单规则和局部感知最终可搭建金字塔等形状;比利时布鲁塞尔自由大学的两位研究人员使用e-puck构建的20个机器人集群经过群体演化后,能够自行学会并掌握先前设计者并为对其指明的动作序列。2019年,中国青年学者李曙光与他的合作者共同完成设计的粒子机器人登上Nature封面,该机器人通过信息交换和力学协同模拟了生物细胞的运动,能够实现搬运物体和向光源移动。

2.4 加紧集群验证,形成非对称优势

为推动无人机集群形成任务能力,在协同模式和关键技术的牵引下,国内外研究机构开展了大量的集群协同飞行试验验证,力争尽快形成非对称集群优势。美正在开展的代表性项目包括:低成本无人机集群技术、“山鹑”无人机集群、近战隐蔽自主一次性无人机、可空中回收无人机集群“小精灵”等。项目基本情况如表1所示。

低成本无人机集群技术(LOw-Cost Unmanned aerial vehicle Swarming Technology,LOCUST)项目由美国海军研究办公室(Office of Naval Research, ONR)主导,采用无人机集群协同模式。旨在快速释放大量小型无人机,通过自适应组网及自主协同,以压倒性数量优势赢得战争。项目发展了如郊狼(Coyote)等系列小型折叠翼无人机和多管发射装置。2016年4月,美海军实现了30架郊狼无人机的快速发射(1架/s)和自主编队飞行的技术验证。表1 典型无人机集群项目Table 1 Typical programs of UAV swarms  

(LOCUST项目的郊狼无人机及编队飞行)

山鹑(Perdix)无人机集群项目由美国战略能力办公室(Strategic Capabilities Office, SCO)主导,采用有人战机投放无人机集群代替空射诱饵等,执行诱导欺骗、前出侦查等任务。2016年10月,完成由3架F/A-18战斗机空中投放103架“山鹑”无人机的演示验证,集群展现了一些高级的行为如集群决策、自适应编队以及集群自愈性。 

(山鹑”(Perdix)无人机集群演示)

近战隐蔽自主一次性无人机(Close-In Covert Autonomous Disposable Aircraft, CICADA)项目由美国海军研究实验室(Naval Research Laboratory,NRL)发起。项目旨在开发低成本一次性微型无人机,每架只携带微型电子传感器,比如天气、温度、湿度和气压传感器等,借助大型载体像播种一样向某个区域大量“播种”,形成庞大而稳定的“探测矩阵”。2017年4月,美海军从P-3侦察机上一次性释放32架CICADA微型无人机;在2019年4月,4架大型无人机(Hives)释放了100多架小型CICADA微型无人机编队,用于收集区域的气象资料。

 (CICADA无人机集群演示)

可空中回收无人机集群“小精灵”(Gremlins)项目由DARPA主导。项目设想让现有大型飞机充当“空中航母”,在敌防御射程外发射成群小型无人机;当任务结束后C-130运输机将小型无人机回收,在24 h内完成重置并等待下次使用。项目于2015年9月启动,目前正处于第3阶段,计划2020年春完成全流程试验,具备在C-130上一个操作员最多控制8架无人机以及在半小时内空中回收4架无人机的能力。

美国之外,各区域强国也积极开展各类集群试验。欧盟在未来空战系统中,将空射无人机集群作为未来实施防区外精确战术打击和集群式饱和攻击的核心手段。印度也于2019年发布了首个无人机集群概念项目ALFA-S(Air-Launched Flexible Asset-Swarm),计划通过战斗机发射大量察打一体无人机,执行对地防空打击任务。土耳其国营STM军工集团展示了20架7 kg的四旋翼无人机集群作战反恐的概念演示。 

(“小精灵”项目)

中国也积极开展固定翼无人机集群的飞行验证。中国电子科技集团(简称中电科集团)先后完成了67架、119架、200架的固定翼无人机集群飞行。2018年1月,国防科技大学智能科学学院无人机系统创新团队针对无人机集群自主协同展开试验飞行,20余架无人机相继起飞,在空中集结编队,飞向指定区域完成侦察任务,验证了分组分簇自适应分布体系架构、并行感知与行为意图预判、按需探测自组织任务规划、极低人机比集群监督控制、以意外事件处理为核心的集群自主飞行控制等多项关键技术。北京航空航天大学仿生自主飞行系统研究组结合生物群体智能深入研究了无人机集群编队、目标分配、目标跟踪、集群围捕等任务的关键技术,并于2018年5月完成基于狼群行为机制的无人机协同任务分配的飞行验证。