詳解：為什么集群無人機是趨勢以及它的關(guān)鍵技術(shù)是什么

1、詳解：為什么集群無人機是趨勢，以及，它的關(guān)鍵技術(shù)是什么？雷鋒網(wǎng)（公眾號：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，詳細探討了集群無人機的關(guān) 鍵技術(shù)和優(yōu)勢，并預測，集群技術(shù)可能是無人機技術(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。|引言作為一個發(fā)展速度快、迭代周期短的領(lǐng)域，無人機技術(shù)的 趨勢一直是業(yè)內(nèi)討論的焦點。今年8月，在中國計算機學會主辦，雷鋒網(wǎng)承辦的 CCF-GAIR峰會上，被稱是無人機大神 的Vijay Kumar教授提由來他的

2、 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)目前還主要在學術(shù)界和國防領(lǐng)域受到關(guān)注，集群智能（SwarmIntelligence ）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架固定翼無人機集群的世界紀錄， 該成果由CETC電科院、清華大學、泊松技術(shù)攜手完成。結(jié)

3、合今年Intel團隊100架和500架多旋翼無人機的震撼空中燈 光秀，我們已經(jīng)可以看由無人機集群技術(shù)發(fā)展的端倪，甚至 可以謹慎地預測，集群技術(shù)可能是無人機技術(shù)發(fā)展的下一個 重要熱點。|概念與起源集群行為(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、人與細菌都會由 現(xiàn)集群行為。機器人的集群技術(shù)的靈感來源于自然，正如上 世紀初發(fā)明飛機就是受到了飛鳥的啟發(fā)一樣，無人機集群概 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

4、，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，頗識蜂奉分等差。一蜂最大正中處，千百以次分來 衙?！痹诟拍钌?，與魚群、鳥群、蜂群、蟻群類似，機器人 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)的集體運動。從數(shù)學模型的角度來看，它 是一種突現(xiàn)(Emergence)行為，即個體遵循簡單的運動和 邏輯規(guī)則，不需要任何有

5、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家當作一種非熱力學 平衡現(xiàn)象加以研究，他們需要研究新的統(tǒng)計物理學工具來對 付這種非熱力學平衡系統(tǒng)。在理論研究仍然不著邊際的 80 年代，數(shù)值計算科學家首先用模擬程序 boids在計算機上模 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。數(shù)學模型最簡單的集群數(shù) 學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

6、距離的其他個體；吸引較遠距離的其 他個體。下圖右邊是魚群的拓撲距離模型，每條魚只關(guān)注距 自己最近的67條魚，而不管其他較遠的個體。共識主動 性(stigmergy)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)共同完成復雜的工作，Stigmergy是一種自組織的、有系統(tǒng)活動，它產(chǎn)生復雜 的

7、，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，也能完成復雜的集體 協(xié)調(diào)任務(wù)。集群智能(Swarm Intelligence )集群智能來源于 群居性生物通過協(xié)作表現(xiàn)曲的宏觀智能行為，具有分布式、 無中心、自組織的的特點。從 1991年意大利學者 Dorigo提 由蟻群優(yōu)化理論開始，集群智能作為一個理論被正式提由， 并逐漸吸引了大批學者的關(guān)注，從而掀起了研究高潮。1995年，Kennedy等學者提由粒子群優(yōu)化算法，此后集群智能研 究迅速展開，自Gera

8、rdo Beni和Jing Wang于1989年在研究 細胞機器人系統(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、蜂螂算法等等。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)當前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的工作狀態(tài)，并且具有較強的魯棒性，即不會由于莫一個或幾個個體由現(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

9、 進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)由來的復雜行為 是通過簡單個體的交互過程突現(xiàn)由來的智能(EmergentIntelligence),因此，群體具有自組織性。機器人集群將群體 原理應(yīng)用于機器人稱為群體機器人，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。每個機器人只具 有相當簡單的功能，但集群之后的群體行

10、為則相當復雜多 樣。整個機器人集群可以被認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體。到目前為止最大 的機器人集群是由1024個機器人組成的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。機器人集群能夠提高故障冗 余度，單一的大型機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)點失效常常導致昂貴的損 失。機器人集群包括地面機器人集群、空中機器人也就

11、是無 人機集群、水面和水下機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 下無人機群：CoCoRo自主水下航行器集群。該項目由Thomas Schmickl領(lǐng)導，由41個水下機器人（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：了解機器人網(wǎng)絡(luò)是否能夠展示群體認知，將該系統(tǒng)形成的群 體智能與自然界中的生物集群進行比較研究。”通過執(zhí)行復雜的實驗（元認知），我們將比較我們的結(jié)果與自然界的生 物群，評估我們的科學成果，尋求生物學，神學，元認知， 心理學和哲學領(lǐng)域的新發(fā)現(xiàn)”。這個項目的目標是：生態(tài)監(jiān) 測，搜索，維護，探索和收獲水下棲息地的資

12、源。|集群成為無人機發(fā)展趨勢在 Kumar看來，無人機未來總體的發(fā)展趨 勢是“自主” （Atonomy）,具體可以用5s來概括，前4個S 為：Small未來機器人多應(yīng)用于搜索和營救等場景，如果一 個無人機體積太大，那么將極不利于其對環(huán)境的勘探。面對 未知的環(huán)境，小型無人機有更強的自主性。像一群小蜜蜂。 但同時，這也帶來一些負面的挑戰(zhàn)。當一個無人機的尺寸縮 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，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)境中進行飛 行控制。而且，由于機器體積變小，其慣性也會減小，能夠 在發(fā)生撞擊時迅速自我

13、調(diào)整平衡。Smart & Speed無人機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)，止匕外，依靠計算機視覺對環(huán)境進行檢測，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大神指由，小型化 所付由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，讓多個無人機協(xié)作， 完成個體無法勝任的任務(wù)。因此，集群無人機集群的組織方式為：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)。|集

14、群無人機優(yōu)勢解決有限空間內(nèi)多無人機之間的 沖突以當下正火的無人機快遞技術(shù)為例，如何讓未來漫天的 快遞無人機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)的無人機避開同類障礙保持良好有序?qū)罩薪煌?，就需?相互協(xié)作，本質(zhì)上相當于運作一個協(xié)調(diào)的集群系統(tǒng)。Kumar場景舉過一個無人機繪制長城地圖的例子，這顯然是單一的 無人機無法做到的，逐個給多架無人機設(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

15、系統(tǒng)協(xié)同工作機制以完成任務(wù)，這與投資 開發(fā)造價昂貴、技術(shù)復雜的多任務(wù)系統(tǒng)策略完全不同。針對 不同類型的工作目標，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)中目標確定問題，通過大量平臺各自發(fā)送對同 一目標地理位置信息的判斷信號，這種分布式投票得由的結(jié) 果往往正確率很高。分布

16、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)作完成目標精度定位，當需要主動探測時，平臺間 還可采取頻率、波段不同的雷達進行全頻譜探測，將極大提 高探測能力。可靠性無人機集群數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)能夠支持冗余備 份機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 的通信模式仍然以單機與地面站通信方式為主，信息傳輸仍 是集中式的，去中心化的無人機集群利用自組網(wǎng)技術(shù)可以實 現(xiàn)無人機之間信息的高速共享，

17、同時提高集群的抗故障與自 愈能力。|集群無人機關(guān)鍵技術(shù)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由或者加入集群， 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)的拓撲結(jié)構(gòu)

18、，而不同的網(wǎng)絡(luò)拓 撲結(jié)構(gòu)有著不同的通信性能。在一定的通信拓撲及性能下， 根據(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?？刂扑惴ㄅc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，需要進行信息交互。為了使得 所交互的信息及時完整地進行傳輸，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，當面臨復雜任務(wù)和需要協(xié)作的任務(wù)時，當前無人飛行 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由或加入，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)無人機在實際飛 行中如果存在突發(fā)狀況，必須進行航跡重新規(guī)劃，以以規(guī)避 威脅。為滿足協(xié)同工作時的