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| 本文作者： 知情人士 | 2016-11-08 12:03 |
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，本文為第一篇。
作為一個發(fā)展速度快、迭代周期短的領(lǐng)域，無人機(jī)技術(shù)的趨勢一直是業(yè)內(nèi)討論的焦點。
今年8月，在中國計算機(jī)學(xué)會主辦，雷鋒網(wǎng)承辦的CCF-GAIR峰會上，被稱是無人機(jī)大神的Vijay Kumar教授提出來他的5S趨勢理論：Small（小型），Safe（安全），Smart（智能），Speed（敏捷）和Swarm（集群），與一直被廣泛研究的前四個S不同，Swarm集群技術(shù)目前還主要在學(xué)術(shù)界和國防領(lǐng)域受到關(guān)注，集群智能（Swarm Intelligence）作為一種Game-Changing的顛覆性技術(shù)，一直被中美等國軍隊視為無人化作戰(zhàn)的突破口。
最近，在珠海航展上，中國電科CETC披露了我國第一個固定翼無人機(jī)集群試驗原型系統(tǒng)，實現(xiàn)了67架規(guī)模的集群原理驗證，打破之前由美國海軍保持的50架固定翼無人機(jī)集群的世界紀(jì)錄，該成果由CETC電科院、清華大學(xué)、泊松技術(shù)攜手完成。結(jié)合今年Intel團(tuán)隊100架和500架多旋翼無人機(jī)的震撼空中燈光秀，我們已經(jīng)可以看出無人機(jī)集群技術(shù)發(fā)展的端倪，甚至可以謹(jǐn)慎地預(yù)測，集群技術(shù)可能是無人機(jī)技術(shù)發(fā)展的下一個重要熱點。
集群行為（Swarm behaviour）、或者群行（Swarming）是一種生物的集體行為，最典型的例子是外觀上看起來一群實體聚集在一起兜圈或朝特定方向行動。生物界中的昆蟲、鳥類、魚類、水生動物、人與細(xì)菌都會出現(xiàn)集群行為。
機(jī)器人的集群技術(shù)的靈感來源于自然，正如上世紀(jì)初發(fā)明飛機(jī)就是受到了飛鳥的啟發(fā)一樣，無人機(jī)集群概念起源于古老的昆蟲蜜蜂，蜂群內(nèi)部分工明確，個體之間存在著豐富有趣的信息交流語言，社會行為豐富。
早在1億2千萬年前，蜜蜂就以集群的方式在地球上，每個蜂群由蜂王、工蜂和雄蜂組成，蜂王通常每群只有一只；工蜂自數(shù)千至數(shù)萬只不等，雄蜂一般只在群體需要的季節(jié)里才存在。宋代詩人戴表元所作詩詞之一《義蜂行》中就曾寫道：“朝朝莫莫與蜂狎，頗識蜂羣分等差。一蜂最大正中處，千百以次分來衙?！痹诟拍钌希c魚群、鳥群、蜂群、蟻群類似，機(jī)器人的集群行動也可用此術(shù)語描述，因此我們創(chuàng)造了無人機(jī)集群即UAV Swarm的概念。
從抽象的角度來看，群體行為是大量自驅(qū)動粒子系統(tǒng)的集體運(yùn)動。
從數(shù)學(xué)模型的角度來看，它是一種突現(xiàn)（Emergence）行為，即個體遵循簡單的運(yùn)動和邏輯規(guī)則，不需要任何有中心的中央?yún)f(xié)調(diào)，而又能自然而然的呈現(xiàn)群體特征。
集群行為也被物理學(xué)家當(dāng)作一種非熱力學(xué)平衡現(xiàn)象加以研究，他們需要研究新的統(tǒng)計物理學(xué)工具來對付這種非熱力學(xué)平衡系統(tǒng)。在理論研究仍然不著邊際的80年代，數(shù)值計算科學(xué)家首先用模擬程序boids在計算機(jī)上模擬群體行為，該程序根據(jù)一組基本規(guī)則來模擬一組簡單智能體的運(yùn)動，這個程序首先用來模擬鳥類的集群行為，后來也被用于研究魚類和其他集群動物。
最簡單的集群數(shù)學(xué)模型只遵循如下三個原則：
1、個體沿著鄰居相同的方向移動
2、個體保持靠近鄰居
3、個體避免與鄰居碰撞
例如，下圖左邊是魚群的度量距離模型，每條魚都排斥近距離范圍的其他個體；跟隨中等距離的其他個體；吸引較遠(yuǎn)距離的其他個體。
下圖右邊是魚群的拓?fù)渚嚯x模型，每條魚只關(guān)注距自己最近的6～7條魚，而不管其他較遠(yuǎn)的個體。
在集群智能領(lǐng)域的一個關(guān)鍵概念是stigmergy，即共識主動性，是智能體或行為之間的間接協(xié)調(diào)機(jī)制。
觀察螞蟻：它們是非常普通的動物，通過分布路徑上的信息素來相互交流，這讓它們看起來很聰明。共識主動性不需要任何控制或者代理間的直接通信，就能產(chǎn)生復(fù)雜流程。它的原理是通過動作留在環(huán)境中的軌跡刺激下一個動作的執(zhí)行，隨后其他個體的行動連貫而有序，前后協(xié)調(diào)共同完成復(fù)雜的工作， Stigmergy是一種自組織的、有系統(tǒng)活動，它產(chǎn)生復(fù)雜的，看似智能的結(jié)構(gòu)，不需要任何集中規(guī)劃，控制或甚至也不需要個體之間的直接通信。因此，它支持極簡單的個體之間的高效協(xié)作，確保簡單生物體在缺乏任何記憶、智力、溝通甚至彼此不能互相意識到的情況下，也能完成復(fù)雜的集體協(xié)調(diào)任務(wù)。
集群智能來源于群居性生物通過協(xié)作表現(xiàn)出的宏觀智能行為，具有分布式、無中心、自組織的的特點。從1991年意大利學(xué)者Dorigo 提出蟻群優(yōu)化理論開始，集群智能作為一個理論被正式提出，并逐漸吸引了大批學(xué)者的關(guān)注，從而掀起了研究高潮。1995年，Kennedy 等學(xué)者提出粒子群優(yōu)化算法，此后集群智能研究迅速展開，自Gerardo Beni和Jing Wang于1989年在研究細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)時引入這個概念開始，集群智能開始廣受AI領(lǐng)域的研究者關(guān)注，并以不同生物命名了一系列算法，較為經(jīng)典的粒子群、蟻群、人工魚群、文化算法，到最近幾年比較新的混合蛙跳算法、貓群算法、蟑螂算法等等。
集群智能的特點包括：
1、控制是分布式的,不存在中心控制。因而它更能夠適應(yīng)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的工作狀態(tài),并且具有較強(qiáng)的魯棒性,即不會由于某一個或幾個個體出現(xiàn)故障而影響群體對整個問題的求解。
2、群體中的每個個體都能夠改變環(huán)境,這是個體之間間接通信的一種方式，即上面提到的共識主動性（Stigmergy）。由于集群智能可以通過非直接通信的方式進(jìn)行信息的傳輸與合作,因而隨著個體數(shù)目的增加,通信開銷的增幅較小,因此,它具有較好的可擴(kuò)充性。
3、群體中每個個體的能力或遵循的行為規(guī)則非常簡單,因而集群智能的實現(xiàn)比較方便,具有簡單性的特點。
4、群體表現(xiàn)出來的復(fù)雜行為是通過簡單個體的交互過程突現(xiàn)出來的智能( Emergent Intelligence) ，因此,群體具有自組織性。
將群體原理應(yīng)用于機(jī)器人稱為群體機(jī)器人，而集群智能是指更為通用的算法集合。研究人員為成千上萬的小型機(jī)器人的群體行動建立模型，研究使它們一起執(zhí)行任務(wù)的算法，例如找到隱藏的東西，清潔大樓外墻或協(xié)調(diào)搜集信息。每個機(jī)器人只具有相當(dāng)簡單的功能，但集群之后的群體行為則相當(dāng)復(fù)雜多樣。整個機(jī)器人集群可以被認(rèn)為是一個分布式系統(tǒng)，如蟻群一樣成為一個具有集群智能的超級有機(jī)體。
到目前為止最大的機(jī)器人集群是由1024個機(jī)器人組成的Kilobot。其他有代表性的集群項目包括iRobot群、ActivMedia的Centibots項目和開源的Micro-robotic項目。機(jī)器人集群能夠提高故障冗余度，單一的大型機(jī)器人可能會因故障失效從而影響任務(wù)執(zhí)行，但是集群中即使有幾個機(jī)器人失效，集群整體也能繼續(xù)工作不影響工效，這一特點對于執(zhí)行空間探索任務(wù)特別有吸引力，因為高昂的成本帶來的單節(jié)點失效常常導(dǎo)致昂貴的損失。機(jī)器人集群包括地面機(jī)器人集群、空中機(jī)器人也就是無人機(jī)集群、水面和水下機(jī)器人集群等多種形式。
例如，奧地利Ganz人工生命實驗室的研究人員發(fā)布了世界上最大的水下無人機(jī)群：CoCoRo自主水下航行器集群。該項目由Thomas Schmickl領(lǐng)導(dǎo)，由41個水下機(jī)器人（AUV）組成，可以協(xié)同完成任務(wù)。
這些研究人員有一個雄心勃勃的目標(biāo)：了解機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)是否能夠展示群體認(rèn)知，將該系統(tǒng)形成的群體智能與自然界中的生物集群進(jìn)行比較研究。
“通過執(zhí)行復(fù)雜的實驗（元認(rèn)知），我們將比較我們的結(jié)果與自然界的生物群，評估我們的科學(xué)成果，尋求生物學(xué)，神學(xué)，元認(rèn)知，心理學(xué)和哲學(xué)領(lǐng)域的新發(fā)現(xiàn)”。這個項目的目標(biāo)是：生態(tài)監(jiān)測，搜索，維護(hù)，探索和收獲水下棲息地的資源。
在Kumar看來，無人機(jī)未來總體的發(fā)展趨勢是“自主”（Atonomy），具體可以用5S來概括，前4個S為：
Small
未來機(jī)器人多應(yīng)用于搜索和營救等場景，如果一個無人機(jī)體積太大，那么將極不利于其對環(huán)境的勘探。面對未知的環(huán)境，小型無人機(jī)有更強(qiáng)的自主性。像一群小蜜蜂。但同時，這也帶來一些負(fù)面的挑戰(zhàn)。當(dāng)一個無人機(jī)的尺寸縮小至甚至11厘米的直徑，20克的重量，它根本不能移動一些木塊、石頭等物體。
Safe
又小又安全的無人機(jī)，即使碰撞到路人也不會致傷，這樣才更容易在生活各種環(huán)境中進(jìn)行飛行控制。而且，由于機(jī)器體積變小，其慣性也會減小，能夠在發(fā)生撞擊時迅速自我調(diào)整平衡。
Smart & Speed
無人機(jī)在躲避障礙物過程中，能夠通過傳感器、云端控制、攝像頭這樣的閉環(huán)，此外，依靠計算機(jī)視覺對環(huán)境進(jìn)行檢測，分析周圍環(huán)境的特征，實現(xiàn)自我規(guī)劃路徑，就像人看到障礙物知道繞道那樣。
第5個S即Swarm集群，Kumar大神指出，小型化所付出的一個代價是載重變小，能完成的任務(wù)隨即減少，為此他們從蜂群的工作方式中獲取靈感，讓多個無人機(jī)協(xié)作，完成個體無法勝任的任務(wù)。因此，集群
無人機(jī)集群的組織方式為：
1． 個體獨立行動，行動是本地的和獨立的；
2． 僅需要本地信息即可行動，即使無法知道全局信息，個體也能行動；
3． 行動匿名，獨立于身份，不了解個體信息也能完成任務(wù)。
解決有限空間內(nèi)多無人機(jī)之間的沖突
以當(dāng)下正火的無人機(jī)快遞技術(shù)為例，如何讓未來漫天的快遞無人機(jī)像人類快遞小哥一樣協(xié)同作業(yè)，也就是一定區(qū)域內(nèi)的無人機(jī)避開同類障礙保持良好有序?qū)罩薪煌ǎ托枰嗷f(xié)作，本質(zhì)上相當(dāng)于運(yùn)作一個協(xié)調(diào)的集群系統(tǒng)。Kumar場景舉過一個無人機(jī)繪制長城地圖的例子，這顯然是單一的無人機(jī)無法做到的，逐個給多架無人機(jī)設(shè)定作業(yè)任務(wù)也是件麻煩事，最佳的方案顯然是給作為集群的多架無人機(jī)一個整體任務(wù)，集群自行分解、協(xié)同、分段作業(yè)無縫完成任務(wù)。
以低成本、高度分散的形式滿足功能需求
無人系統(tǒng)集群可由不同的平臺實現(xiàn)高低混搭，為實現(xiàn)不同的功能，采取一系列由大量分散的低成本系統(tǒng)協(xié)同工作機(jī)制以完成任務(wù)，這與投資開發(fā)造價昂貴、技術(shù)復(fù)雜的多任務(wù)系統(tǒng)策略完全不同。針對不同類型的工作目標(biāo)，無人系統(tǒng)集群可利用混合搭配的異構(gòu)優(yōu)勢低成本、高效率的完成工作。
動態(tài)自愈合網(wǎng)絡(luò)
無人機(jī)與自主系統(tǒng)可協(xié)同形成具備自愈合功能的、執(zhí)行信息搜集和通信中繼等行動的主動響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。無人與自主系統(tǒng)組成的集群網(wǎng)絡(luò)相互協(xié)同，可分別采集信息，還能依據(jù)需要調(diào)整搭載通信載荷的無人系統(tǒng)數(shù)量，形成具有一定冗余的通信中繼站。
分布式集群智慧
大量的平臺可實現(xiàn)分布式投票以解決問題，例如集群作業(yè)中目標(biāo)確定問題，通過大量平臺各自發(fā)送對同一目標(biāo)地理位置信息的判斷信號，這種分布式投票得出的結(jié)果往往正確率很高。
分布式探測
廣泛分布傳感器的能力對于主動與被動探測以及定位精度而言有著明顯幫助。多平臺可以相互協(xié)作完成目標(biāo)精度定位，當(dāng)需要主動探測時，平臺間還可采取頻率、波段不同的雷達(dá)進(jìn)行全頻譜探測，將極大提高探測能力。
可靠性
無人機(jī)集群數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)能夠支持冗余備份機(jī)制和具有一定的自愈能力以提供可用性保證，集群網(wǎng)絡(luò)能夠監(jiān)控已建立連接，具備應(yīng)對意外中斷的自動恢復(fù)能力，集群應(yīng)具備一定的擁塞處理和沖突應(yīng)對能力。
去中心化自組網(wǎng)提升抗故障能力、自愈性和高效信息共享能力
目前無人機(jī)的通信模式仍然以單機(jī)與地面站通信方式為主，信息傳輸仍是集中式的，去中心化的無人機(jī)集群利用自組網(wǎng)技術(shù)可以實現(xiàn)無人機(jī)之間信息的高速共享，同時提高集群的抗故障與自愈能力。
集群控制算法
多無人飛行器系統(tǒng)要實現(xiàn)相互間的協(xié)同就必須確定無人飛行器之間邏輯上和物理上的信息關(guān)系和控制關(guān)系，針對這些問題而進(jìn)行的體系結(jié)構(gòu)研究可以將多無人飛行器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制有飛行器地結(jié)合起來，保證多無人飛行器系統(tǒng)中信息流和控制流的暢通，為無人飛行器之間的交互提供框架。集群控制算法不僅要保證多無人飛行器之間能有效地進(jìn)行協(xié)同，而且不依賴于無人飛行器的數(shù)量，即無人飛行器可以隨時退出或者加入集群，而不會影響控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。
通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計
在多無人飛行器協(xié)同任務(wù)自組織系統(tǒng)中，無人飛行器作為通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，其空間的分布決定了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有著不同的通信性能。在一定的通信拓?fù)浼靶阅芟?，根?jù)所執(zhí)行的任務(wù)分配通信資源，提高通信質(zhì)量，是集群技術(shù)的難題之一。
控制算法與通訊技術(shù)的耦合
多無人飛行器為了提高協(xié)同完成任務(wù)的效能，需要進(jìn)行信息交互。為了使得所交互的信息及時完整地進(jìn)行傳輸，對于通信網(wǎng)絡(luò)性能有一定的要求?；谕ㄐ刨|(zhì)量約束的協(xié)同控制方法，就是在當(dāng)前的通信服務(wù)質(zhì)量約束下，設(shè)計多無人飛行器協(xié)同控制方法，使得在這種控制方法下，多無人飛行器的運(yùn)動既滿足任務(wù)需求，又可以使得多無人飛行器構(gòu)造的通信網(wǎng)絡(luò)性能，滿足信息及時完整傳輸?shù)男枨?，進(jìn)而提高多無人飛行器協(xié)同完成任務(wù)的效能。
任務(wù)規(guī)劃技術(shù)
為了實現(xiàn)多無人飛行器之間有效的任務(wù)協(xié)同，同時保證控制結(jié)構(gòu)不依賴于無人飛行器的數(shù)量，構(gòu)建多無人飛行器協(xié)同任務(wù)自組織系統(tǒng)分布式體系結(jié)構(gòu)，各無人飛行器的基本行為和簡單任務(wù)由無人飛行器自己自主完成，當(dāng)面臨復(fù)雜任務(wù)和需要協(xié)作的任務(wù)時，當(dāng)前無人飛行器可以把任務(wù)信息和資源需求發(fā)布到由各無人飛行器組成的網(wǎng)絡(luò)上，各無人飛行器可以根據(jù)自身當(dāng)前任務(wù)和資源情況予以響應(yīng)。
這樣，任意一個無人飛行器的退出或加入，都不會對系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)帶來影響。
路徑規(guī)劃技術(shù)
無人機(jī)在實際飛行中如果存在突發(fā)狀況，必須進(jìn)行航跡重新規(guī)劃，以以規(guī)避威脅。為滿足協(xié)同工作時的時效性，重新規(guī)劃所采用的算法必須具有實時、高效的特點。因此，可以根據(jù)蜂群算法領(lǐng)域搜索的特點，以參考航跡的突發(fā)威脅作為領(lǐng)蜂航跡，跟隨蜂僅在參考航跡的突發(fā)威脅段進(jìn)行領(lǐng)域搜索，而不需要對整條航跡進(jìn)行搜索，由此可以快速獲得修正航跡段，并替換原突發(fā)威脅航跡段，整個飛行過程中，無人機(jī)根據(jù)獲得的威脅信息，不斷修正參考航跡，直至達(dá)到目標(biāo)節(jié)點。
編隊控制技術(shù)
在數(shù)學(xué)上，保持一定空間距離的無人機(jī)集群可以看作一個高階群系統(tǒng)時變編隊問題，其控制問題很有挑戰(zhàn)性，且通訊時延的存在又為編隊分析增加了難度。
那么，無人機(jī)集群技術(shù)在軍事上和民用上都是如何落地的？下篇文章，作者將會來談?wù)勥@個問題，請繼續(xù)關(guān)注。
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