The Innovation | 边缘计算赋能无人机集群：环境感知、通信互连与任务规划多维度高效互惠协同

导

读

近年来，无人机集群逐渐在工业、农业、交通等诸多领域得到部署应用。然而，受限于机载计算能力的不足，无人机集群在执行大规模复杂任务时面临自主化程度低、任务执行效率不高等问题。本文提出一种基于边缘计算的无人机集群应用框架，可实现集群感知、通信与规划多维度高效互惠协同，显著提升集群的自主性、安全性和效率。

得益于出色的机动性、经济性和多样化的部署能力，无人机集群近年来在工业、农业、交通等多个领域得到广泛的应用，如大规模基础设施检查、交通流监控等。在这些任务场景中，无人机通常配备相机、激光雷达等机载传感器，通过分析传感器数据（如捕获的相机视频和激光点云）来提取环境信息（如基础设施破损情况、交通拥堵状况等）。为了实现无人机集群的自主飞行与信息收集，需要开发一系列关键算法，以实现一些核心功能，包括从传感器数据中提取信息，将提取的信息在无人机之间进行传输和融合，以及规划和协调它们的飞行轨迹以确保安全高效地完成任务。

然而，将这些算法部署在当前无人机集群中仍存在着诸多挑战。首先，从传感器数据中提取信息通常需要较高算力，难以在机载计算设备上实时有效进行。其次，集群内的信息融合和飞行轨迹协调在很大程度上依赖于无人机之间的通信，但在复杂城市环境中，受限于遮挡等因素，机间通信并不始终可用，且通信距离有限。这些挑战给当前无人机集群的应用带来了一些瓶颈，如由于机载数据处理速度较低导致飞行速度降低等问题。此外，可靠机间通信的缺失也限制了集群的应用规模。

图1 图文摘要

针对上述难题，本文提出一种基于边缘计算的无人机集群应用框架。如图1所示，在无人机集群应用的区域中部署多个通信基站，每个基站配备具有强大算力的边缘服务器。通过与相应基站的通信连接，无人机将传感器数据传送到基站进行快速边缘处理。基站分析这些数据并构建一个描述无人机周围环境的地图。通过高速光纤连接，每个基站从其他基站获取其处理后的地图，并将它们融合成一张全面的地图，以反映整个集群的感知信息。然后，基站将融合后的地图传回与之连接的无人机，使其能够进行在线任务轨迹规划。在该框架中，环境地图的构建主要包括三个方面：1）信息地图，包含集群感知的具体任务信息及其分布，如交通拥堵状况；2）障碍物地图，包含无人机周围空间的障碍物分布和大小等信息；3）无线信道地图，包含无人机周围空间的通信链路质量信息。通过将这些环境地图纳入到在线轨迹规划中，无人机可以引导自身安全地向任务信息更丰富、通信链路质量更高的区域飞行，以提高其数据处理速度和飞行速度，从而提升任务执行效率。边缘计算赋能的无人机集群，环境感知、通信互连与任务规划三者的多维互惠协同如图2所示。

图2 环境感知、通信互连与任务规划的互惠协同

总结与展望

本文提出了一种边缘计算赋能的无人机集群应用框架，利用边缘服务器的强大算力来弥补机载平台不足，在基站侧进行集群的信息处理与融合，并辅助集群进行实时任务轨迹规划，从而实现更稳定的连接、更安全的飞行、更高效的任务。未来，边缘计算可与人工智能技术相结合，进一步增强无人机的环境感知与信息挖掘能力，激发无人机集群的无限潜力。

责任编辑

陈朝吉  武汉大学

李   旺   中国科学院空天信息创新研究院

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(23)00134-0

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第四卷第六期以Commentary发表的“Edge computing powers aerial swarms in sensing, communication, and planning” (投稿: 2023-07-13；接收: 2023-08-27；在线刊出: 2023-08-30)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2023.100506

引用格式：Zhu H., Chen Q., Zhu X., et al. (2023). Edge computing powers aerial swarms in sensing, communication, and planning. The Innovation. 4(6),100506.

作者简介

姚 雯，军事科学院研究员、博士生导师，国防科技大学教授。长期从事飞行器系统智能设计优化、无人集群技术与应用研究。发表学术论文90余篇，合作出版中英文专著3部，获授权专利30余项。

陈小前，军事科学院研究员、博士生导师，国防科技大学教授，国际宇航科学院院士。主要研究方向为飞行器总体优化与系统控制，研究工作获国家杰出青年科学基金资助。

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The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球55个国家；已被136个国家作者引用；每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有196位编委会成员，来自21个国家；50%编委来自海外；包含1位诺贝尔奖获得者，37位各国院士；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC，EI等数据库收录。2022年影响因子为32.1，CiteScore为23.6。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。

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