1
| 本文作者： 知情人士 | 2016-11-09 11:15 |
雷鋒網(wǎng)按：作者蕭殷，泊松技術(shù)聯(lián)合創(chuàng)始人，關(guān)注無人系統(tǒng)自主、自治技術(shù)與人工智能。本文是作者基于無人機(jī)大神Vijay Kumar在雷鋒網(wǎng)CCF-GAIR上發(fā)表的5S理論基礎(chǔ)上做了延伸，詳細(xì)探討了集群無人機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)和優(yōu)勢，并預(yù)測，集群技術(shù)可能是無人機(jī)技術(shù)發(fā)展的重要熱點。內(nèi)容較長，分為上下兩篇，上篇可閱讀《詳解：為什么集群無人機(jī)是趨勢，以及，它的關(guān)鍵技術(shù)是什么？（上）》，本文為下篇。
正如無人機(jī)的誕生首先源于戰(zhàn)場上的軍事需求，無人機(jī)集群的概念也是從國防領(lǐng)域率先開始理論研究和實踐驗證。為什么要采用集群方式運(yùn)用無人機(jī)，這會帶來哪些好處，這個問題看似簡單，我們自古以來就知道：雙拳難敵四手、好漢架不住群狼，打架還是要打群架，但是要在理論上解釋這個問題也是有一定難度。
有趣的是今年流行的兩個科幻電影《星際迷航3》《獨立日2》以及英劇《黑鏡》不約而同的展現(xiàn)了無人機(jī)集群作戰(zhàn)概念和作戰(zhàn)樣式。
美國國防智庫曾經(jīng)在《戰(zhàn)場機(jī)器人時代》的報告里試圖從理論上對此加以證明。
在戰(zhàn)爭理論中，有一個基礎(chǔ)性理論Lanchester定律。戰(zhàn)斗力=參戰(zhàn)單位總數(shù)×單位戰(zhàn)斗效率，以m(t)、n(t)表示在戰(zhàn)斗開始后t時刻藍(lán)方、紅方在戰(zhàn)斗中尚存的作戰(zhàn)單位數(shù)，可用下列微分方程組來描述戰(zhàn)斗過程中雙方兵力隨時間的損耗關(guān)系：
式中α、β分別為藍(lán)方、紅方在單位時間內(nèi)每一戰(zhàn)斗單位毀傷對方戰(zhàn)斗單位的數(shù)目。假設(shè)交戰(zhàn)開始時刻藍(lán)方、紅方的初始戰(zhàn)斗單位數(shù)為m(0)=M,n(0)=N，從上述微分方程組可知，在交戰(zhàn)過程中雙方戰(zhàn)斗單位數(shù)符合下列狀態(tài)方程：
α[M- m(t)]=β[N- n(t)]
當(dāng)交戰(zhàn)雙方的初始戰(zhàn)斗單位數(shù)與毀傷率系數(shù)之間滿足αM=βN時,m(t)與n(t)同時趨于零，戰(zhàn)斗不分勝負(fù)。當(dāng)αM<βN時,藍(lán)方將首先被消滅。交戰(zhàn)一方的有效戰(zhàn)斗力，正比于其戰(zhàn)斗單位數(shù)的平方與每一戰(zhàn)斗單位平均戰(zhàn)斗力（平均毀傷率系數(shù)）的乘積，如果藍(lán)方武器系統(tǒng)的單個戰(zhàn)斗單位的平均效能為紅方的4倍，則紅方在數(shù)量上集中2倍于藍(lán)方的兵力就可抵消藍(lán)方武器在質(zhì)量上的優(yōu)勢。
根據(jù)Lanchester平方率，作戰(zhàn)單元數(shù)量是比單元作戰(zhàn)能力更重要的戰(zhàn)爭勝負(fù)決定因素，無人機(jī)集群能夠?qū)崿F(xiàn)對敵優(yōu)勢戰(zhàn)機(jī)更大的勝率。將原本造價高昂的多任務(wù)系統(tǒng)分解為若干低成本的小規(guī)模作戰(zhàn)平臺，可以比傳統(tǒng)武器系統(tǒng)更具成本效益的方式挫敗對手。
另外一個依據(jù)事關(guān)武器的成本，我們知道戰(zhàn)爭本質(zhì)上跟做生意一樣，需要考慮成本和費(fèi)效比。上世紀(jì)末，Norm Augustine根據(jù)對數(shù)十年來戰(zhàn)斗機(jī)價格的統(tǒng)計（扣除通貨膨脹因素）得出一個Augustine定律，即飛機(jī)的單價是指數(shù)增長的。
如下圖，同時國防預(yù)算通常是線性增長的，所以一個直接的結(jié)果就是各國空軍所擁有的的飛機(jī)數(shù)量越來越少。極端的，如果這一定律繼續(xù)有效，那么簡單計算即可得到一個奇葩的結(jié)果：到2054年，美國軍隊只能擁有一架飛機(jī)，于是只能在每周內(nèi)給空軍用三天半，給海軍用三天半，至于海軍陸戰(zhàn)隊，只能等閏年的時候在多出來的那天開出來遛遛。
所以，未來軍隊對飛行器的需求，一定是海量無人機(jī)的集群，就像二戰(zhàn)時期倫敦上空的鷹和東京上空的B29機(jī)群一樣。
2016年5月，美國空軍正式提出《2016—2036年小型無人機(jī)系統(tǒng)飛行規(guī)劃》，希望構(gòu)建橫跨航空、太空、網(wǎng)空三大作戰(zhàn)疆域的小型無人機(jī)系統(tǒng)，并在2036年實現(xiàn)無人機(jī)系統(tǒng)集群作戰(zhàn)。
基于無人自主技術(shù)，美軍提出了利用微小型無人機(jī)集群作戰(zhàn)的模式，以降低作戰(zhàn)成本，提升作戰(zhàn)行動的靈活性。典型項目如DARPA的“小精靈”無人機(jī)，計劃研制一種部分可回收的偵察和電子戰(zhàn)無人機(jī)集群，從敵方防御范圍外的大型飛機(jī)（轟炸機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)等平臺）上投放，利用無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)通信與協(xié)同，通過影響導(dǎo)彈防御、通信與內(nèi)部安全，甚至利用電腦病毒襲擊敵方數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)等方式壓制敵方。
美國海軍研制出一種可用于集群作戰(zhàn)的“蟬”微型無人機(jī)，并進(jìn)行了飛行試驗。試驗中，該微型無人機(jī)在17.5千米的高空釋放，滑翔速度約74千米/小時，飛行約17.7千米后在距目標(biāo)不到4.6米的地點降落，其攜帶的傳感器成功傳回溫度、大氣壓強(qiáng)與濕度等數(shù)據(jù)。相比其他無人飛行器，“蟬”微型無人機(jī)具有堅固耐用、尺寸小、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、噪聲小等特點，可配備多種輕型傳感器，執(zhí)行多種任務(wù)。美國海軍希望未來可實現(xiàn)在25分鐘內(nèi)投放成千上萬架“蟬”微型無人機(jī)，覆蓋4800平方千米的區(qū)域。
此外，美國海軍還在“低成本無人機(jī)群技術(shù)”（LOCUST）項目下開展了相關(guān)技術(shù)研究，利用小型筒式發(fā)射無人機(jī)組成無人機(jī)群壓制對手。
相比于功能復(fù)雜全面的某一單機(jī)作戰(zhàn)平臺，無人機(jī)集群在作戰(zhàn)時具備以下優(yōu)勢：
1、功能分布化：將單個完備作戰(zhàn)平臺所具備的各項功能如偵察監(jiān)視、電子干擾、打擊與評估等能力“化整為零”，分散到大量低成本、功能單一的作戰(zhàn)平臺中，通過大量異構(gòu)、異型的個體來實現(xiàn)原本復(fù)雜的系統(tǒng)功能，系統(tǒng)的倍增效益將使無人機(jī)集群具備遠(yuǎn)超單一平臺的作戰(zhàn)能力。
2、體系生存率：無人機(jī)集群具有“無中心”和“自主協(xié)同”的特性，集群中的個體并不依賴于某個實際存在的、特定的節(jié)點來運(yùn)行。在對抗過程中，當(dāng)部分個體失去作戰(zhàn)能力時，整個無人機(jī)集群仍然具有一定的完整性，仍可繼續(xù)執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)。
3、效費(fèi)交換比：功能單一的無人機(jī)平臺成本較低，在進(jìn)行作戰(zhàn)任務(wù)時，敵方應(yīng)對大量的無人機(jī)個體需要消耗數(shù)十倍甚至上百倍的成本來進(jìn)行防御，這將在戰(zhàn)爭中為我方帶來顯著的成本優(yōu)勢。
無人機(jī)集群在軍事應(yīng)用中的“打群架”優(yōu)勢，同樣可以運(yùn)用到民用，尤其是行業(yè)應(yīng)用無人機(jī)領(lǐng)域，當(dāng)下火爆的無人機(jī)物流快遞就涉及到機(jī)群的應(yīng)用，在春節(jié)和雙十一這種發(fā)貨高峰期，一定區(qū)域內(nèi)的無人機(jī)在避開同類障礙時，就需要相互協(xié)作。
還有Kumar提到的用無人機(jī)繪制整個長城地圖的例子，顯然是單一的無人機(jī)無法做到的。事實上，無人機(jī)集群對大塊區(qū)域進(jìn)行快速協(xié)同地理空間信息采集的工作，是軍用ISR任務(wù)和民用遙感及災(zāi)害應(yīng)急、農(nóng)林普查共同面臨的技術(shù)問題。
互聯(lián)網(wǎng)熱潮帶來的電子商務(wù)發(fā)展的繁榮驅(qū)動著無人系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，Amazon的Kiva倉儲搬運(yùn)機(jī)器人（AGV）和快遞無人機(jī)也引起業(yè)內(nèi)注意，今年618京東也完成了他的首次快遞無人機(jī)試飛。
未來無人機(jī)技術(shù)廣泛運(yùn)營之后必然帶來復(fù)雜的管理問題，在實際運(yùn)用場景中，面對百萬訂單量的并發(fā)，調(diào)配算法能夠支持多少機(jī)器人和無人機(jī)實現(xiàn)相互避讓，不同機(jī)器人和無人機(jī)之間是否能夠協(xié)作流暢，都需要集群技術(shù)的支撐。
隨著農(nóng)業(yè)無人機(jī)應(yīng)用的廣泛開展，業(yè)界的目光已經(jīng)從單純的無人機(jī)農(nóng)藥噴灑逐漸擴(kuò)展到無人機(jī)農(nóng)業(yè)信息采集、農(nóng)業(yè)光譜數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域，為了彌補(bǔ)單機(jī)作業(yè)的缺陷，無人機(jī)集群技術(shù)也開始得到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的關(guān)注。
SAGA項目，也就是農(nóng)業(yè)應(yīng)用的機(jī)器人集群（Swarm Robotics for Agricultural Applications），將幫助農(nóng)民繪制農(nóng)田中的雜草地圖，從而提高作物產(chǎn)量。該系統(tǒng)是一個由ECHORD ++資助的研究項目，由一組多架無人機(jī)互相配合，協(xié)同監(jiān)測一塊農(nóng)田區(qū)域，并通過機(jī)載機(jī)器視覺設(shè)備，精確找到作物中的雜草并繪制雜草地圖。 
無人機(jī)集群中的無人機(jī)互相交互信息，充分利用各自獲取的信息，優(yōu)先在雜草最密集的區(qū)域作業(yè)，算法類似自然界中蜜蜂群盡可能在花朵最密集的區(qū)域采蜜，這種路徑優(yōu)化技術(shù)有助于提高作業(yè)效率。
SAGA項目協(xié)調(diào)人，意大利國家研究委員會認(rèn)知科學(xué)和技術(shù)研究所研究員Vito Trianni博士說：
“將群體機(jī)器人應(yīng)用于精確農(nóng)業(yè)代表了一種技術(shù)模式的轉(zhuǎn)變，具有巨大的潛在影響。隨著機(jī)器人硬件的價格下降，機(jī)器人的小型化和能力增加，我們很快將能夠在實現(xiàn)自動化精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)解決方案。這需要單個無人機(jī)之間能夠作為一個整體協(xié)調(diào)工作，以便有效地覆蓋大面積區(qū)域并進(jìn)行信息交互與協(xié)同作業(yè)。無人機(jī)集群技術(shù)為這樣的需求提供了解決方案。微型機(jī)器人避免土壤壓實，只在作物生長的間隙行動避免壓壞作物，采用機(jī)械而不是化學(xué)方式進(jìn)行除草，無人機(jī)和地面機(jī)器人集群可以精確的適應(yīng)不同的農(nóng)場規(guī)模。SAGA項目提出了精確農(nóng)業(yè)的解決方案，包括新穎的硬件與精確的個體控制與群體智能技術(shù)。”
當(dāng)自然災(zāi)害發(fā)生時，首要的任務(wù)就是建立臨時通信網(wǎng)、查看災(zāi)情，然后再出動直升機(jī)運(yùn)輸物資和人員，除了昂貴的衛(wèi)星通信手段，無人機(jī)集群是解決救災(zāi)通信問題的最佳選擇。
洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的智能系統(tǒng)實驗室曾經(jīng)在其微型蜂群飛行器網(wǎng)絡(luò)項目中，開發(fā)一套可以在災(zāi)區(qū)快速搭建通信網(wǎng)絡(luò)的微型飛行機(jī)器人群。這種機(jī)器人可以克服地形困擾，快速地布置到災(zāi)區(qū)，以自身為節(jié)點，在最短的時間內(nèi)恢復(fù)災(zāi)區(qū)的通信網(wǎng)絡(luò)。無人機(jī)集群成本低、可消耗、部署簡便、使用靈活，為應(yīng)急救援的通信保障提供了一種靈活的解決方案。
無人機(jī)集群構(gòu)建的通信網(wǎng)絡(luò)是一種典型的MESH網(wǎng)絡(luò)，通常采用Ad hoc類協(xié)議，這也是一種起源于軍用戰(zhàn)場通信的無線自組網(wǎng)技術(shù)，可以在不停運(yùn)動的多個節(jié)點之間自動建立轉(zhuǎn)發(fā)路由，只要一個節(jié)點能夠連接到網(wǎng)絡(luò)中的任意一個其他節(jié)點，信息就能最終傳到任意節(jié)點。目前，動態(tài)無線自組網(wǎng)技術(shù)尚在高速發(fā)展中，已有部分商業(yè)設(shè)備應(yīng)用在應(yīng)急行業(yè)，未來成本進(jìn)一步下降后有望廣泛應(yīng)用于災(zāi)害救援。
與消費(fèi)類無人機(jī)的航拍需求類似，在行業(yè)應(yīng)用中，遙感與對地觀測及地理信息采集的需求一直廣受關(guān)注，無人機(jī)對幾乎所有存在地理信息需求的行業(yè)都有著成本、技術(shù)和便利性方面的優(yōu)勢。在單無人機(jī)作業(yè)的情況下，大范圍的對地觀測往往需要消耗很長時間，而引入無人機(jī)集群技術(shù)，則可以解決時間與效率難題。
本質(zhì)上，集群技術(shù)使少量的人員能夠控制大量無人機(jī)進(jìn)行并行作業(yè)，對地觀測這種天然可并行的任務(wù)類型的作業(yè)效率與無人機(jī)數(shù)量線性正相關(guān)，因此極具吸引力。 
無人機(jī)集群協(xié)調(diào)對地觀測的典型路徑如上圖所示，集群算法可以設(shè)定一個優(yōu)化函數(shù)來協(xié)調(diào)各個無人機(jī)的任務(wù)路徑，尤其對于存在諸多不確定性的地面目標(biāo)跟蹤之類的時變?nèi)蝿?wù)，集群技術(shù)可以發(fā)揮極大的優(yōu)勢。
無人機(jī)燈光、煙花秀
無人機(jī)廠家、藝術(shù)家、游樂園運(yùn)營商和傳統(tǒng)的燈光秀團(tuán)隊都對無人機(jī)集群演出的前景表現(xiàn)出極大的興趣。
上圖是今年10月，Intel的娛樂無人機(jī)業(yè)務(wù)部門驗證了500加多旋翼飛機(jī)燈光秀表演的概念可行性。
迪斯尼公司申請了很多與無人機(jī)有關(guān)的專利，它將那些無人機(jī)稱作“Flixels”。它在專利文件中寫道，這些無人機(jī)可以按照預(yù)先設(shè)定好的路線飛行，并且按照設(shè)定好的程序發(fā)出LED光，從而在天空上“繪制”出不同的圖案。
以無人機(jī)集群為核心的燈光秀可比傳統(tǒng)煙花更加經(jīng)濟(jì)、高效和安全。
多旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、控制簡潔、可以空中懸停的特點使其占據(jù)了絕大部分消費(fèi)類無人機(jī)市場和相當(dāng)部分行業(yè)無人機(jī)市場，但是續(xù)航時間短、速度慢的特點又極大限制了其行業(yè)運(yùn)用的拓展與之想法，固定翼無人機(jī)續(xù)航時間長、速度快、飛行距離遠(yuǎn)、可攜帶更重的載荷，因此更受行業(yè)用戶的歡迎。
在無人機(jī)集群技術(shù)方面，由于固定翼無人機(jī)非靜穩(wěn)態(tài)的特點，在集群編隊中的單機(jī)控制、集群協(xié)同、傳感與避障、起飛降落通道、機(jī)載射頻與通信組網(wǎng)等方面均比“準(zhǔn)靜態(tài)”的旋翼無人機(jī)復(fù)雜得多。
目前，國外的無人機(jī)集群技術(shù)的發(fā)展趨勢為多旋翼和固定翼并重，燈光表演等局域應(yīng)用已多旋翼集群為主；對地觀測、農(nóng)業(yè)和軍事等領(lǐng)域已固定翼集群為主。國內(nèi)無人機(jī)集群技術(shù)團(tuán)隊目前主要以多旋翼集群為主。
Intel
在今年年初的CES 2016上，Intel宣布成功的試飛了100架多旋翼無人機(jī)的編隊，而本次500架無人機(jī)的燈光秀用了10人左右團(tuán)隊完成放飛。
Intel的算法能夠自動處理動畫制作流程，并規(guī)劃出創(chuàng)建空中圖案的最快路徑——完成這一切只需一張圖片、快速計算出所需的無人機(jī)數(shù)量，并確定無人機(jī)的放置地點。在此之前，動畫師需要更長時間手動完成這些計算。無人機(jī)自帶的燈光秀軟件會在每次飛行之前進(jìn)行完整的機(jī)隊檢查，并且能夠基于電池續(xù)航時間、GPS接收等因素為每次飛行挑選最合適的無人機(jī)。
此外，整個 Shooting Star無人機(jī)集群可由一臺計算機(jī)輕松控制。編隊飛行的規(guī)模取決于所需的動畫效果，所使用的無人機(jī)數(shù)量可由幾百架乃至更多。
Parrot
法國Parrot公司雖然在消費(fèi)類多旋翼市場上一直不抵大疆，但其產(chǎn)品和技術(shù)頗具特色，其實室內(nèi)無人機(jī)編隊舞蹈靈巧活潑，是各大展會上的熱點。
Parrot多旋翼無人機(jī)集群規(guī)模不大，只在室內(nèi)飛行。
深圳零度
深圳零度今年上市的掌上自拍機(jī)Dobby集成了與Parrot類似的跳舞功能，利用向下的攝像頭識別地面二維碼進(jìn)行空間定位，執(zhí)行預(yù)先設(shè)定好的舞蹈動作。
零度智控
此次集群表演是第一次由我國自主創(chuàng)新的無人機(jī)實現(xiàn)的室內(nèi)無人值守飛行表演。參加此次室內(nèi)無人機(jī)編隊飛行的8臺無人機(jī)均為零度智控PIONEER。
億航
在京東618全民購物狂歡節(jié)上，億航在北京上演一場無人機(jī)編隊表演，讓“618”飛上了天。由30架多旋翼無人機(jī)組成的集群按照預(yù)先設(shè)定的路線，根據(jù)GPS定位坐標(biāo)運(yùn)動至夜空中固定位置停留組成造型，按照預(yù)定設(shè)定的順序點亮LED，成為夜空中流動的霓虹燈。
SwarmX
新加坡初創(chuàng)公司SwarmX以其的HiveMind無人機(jī)操作系統(tǒng)切入集群市場，HiveMind操作系統(tǒng)允許用戶通過平板電腦、臺式機(jī)或指揮中心管理無人機(jī)集群，同時提供數(shù)據(jù)存儲和成果可視化。通過使用SwarmX的“基于目標(biāo)的集群管理”根據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，集群的指揮官可以指揮無人機(jī)監(jiān)視哪些區(qū)域，軟件可以推算出如何有效地部署集群中的成員無人機(jī)。
泊松技術(shù)
主要做無人機(jī)控制，尤其是集群控制領(lǐng)域的初創(chuàng)技術(shù)公司。技術(shù)領(lǐng)域包括規(guī)模集群的控制算法、自主智能控制算法、動態(tài)無中心自組網(wǎng)技術(shù)、群體環(huán)境感知與碰撞規(guī)避、動態(tài)任務(wù)分配等。
在珠海航展上展示的67架規(guī)模的固定翼集群主要是作為testbed來驗證無人機(jī)集群的控制技術(shù)、路徑重規(guī)劃算法、任務(wù)分配算法、感知避撞算法和基于Ad hoc的自組網(wǎng)通信系統(tǒng)。
目前，泊松技術(shù)也正謀求將該技術(shù)應(yīng)用到民用領(lǐng)域，例如固定翼無人機(jī)編隊飛行表演、面向游樂園的燈光秀，以及在協(xié)同作業(yè)的無人機(jī)對地觀測和無人機(jī)物流快遞領(lǐng)域中用技術(shù)提高效率，改善性能。
雷峰網(wǎng)原創(chuàng)文章，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。詳情見轉(zhuǎn)載須知。
