怎样同时操作100架无人机？
作者：周满（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所）
最近的国产军事电影中，无人机可谓出尽风头：它在《空天猎》里悄悄侦察对方阵地，在《战狼2》里扫射人群，在《红海行动》里直接报销了一辆坦克！
不过，电影中的无人机虽然酷炫，但是每架无人机都需要配备一名遥控人员，控制上百架无人机协同作战似乎是个难以完成的任务。
但是，在2017年6月，中国电子科技集团公司成功做到了119架固定翼无人机的集群协同飞行，成功演示了119架无人机的密集弹射、空中自主集结、多目的自动分组、自动编队合围等。这一实验的重点，就是“集群智能”！只需要一个人就可以操纵上百架无人机。
中国无人机集群协同飞行
什么是无人机集群？
无人机集群是由大量的无人机构成，可以是由完全相同的无人机组成，也可以是由红外侦察无人机、雷达探测无人机、图像侦察无人机、战斗机、轰炸机等不同无人机组成。它们彼此间通过无线网络等方式进行态势共享与信息交互，相互协调合作完成任务分配、航迹规划等。
在系统内，每个无人机都是一个智能体，具有独立飞行、侦察等能力，而无人机群之间可通过无线网络进行信息交互，无人机群与有人机或地面也存在信息交互，最终实现无人机群体的管理、群体间任务的分配、群体航迹的规划及单无人机航迹的规划等。
下图展示的为多无人机协同搜索的概念图，多架不同功能构成的无人机对特定区域展开搜索，提高探测准确度及探测范围。
多无人机集群协同搜索
为更好的理解无人机集群系统，大院er举一个军事对抗的例子：敌方有一个火炮阵地对我方造成严重威胁，必须将其摧毁。有人机虽然操作简单，易于管理，可执行此任务，但体积较大，容易被雷达等设备发现而被击毁，另一方面有人机成本较高（此处成本暂不包括飞行员伤亡所带来的损失）。这时，无人机就要上场了！
为提高执行任务的成功率，利用小型无人机低成本优势，可采取饱和式攻击方案（雷达一次所能探测的数量有限，敌方一次所能拦截的数量也有限，饱和式攻击是指通过增加无人机数量，使其超过敌方雷达所能探测上限或超过敌方一次所能拦截的上限，使部分无人机可渗透进敌方阵地），一次派出10～100架无人机。此外，多架无人机协同执行作战任务，可以扩大探测、攻击范围，提高执行效率，俗话说“一个好汉三个帮”，就是这个道理。
集群智能：向蜜蜂学习
动物界集群行为是指以群体的形式出现，目的是通过相互合作提高群体的利益，同时满足自己的利益。无人机集群技术正是源于自然、源于生活，最初的无人机集群概念起源于古老的昆虫蜜蜂。
早在1亿2千万年前，蜜蜂就以集群的方式在地球上生活，每个蜂群由蜂王、工蜂、雄蜂组成，蜂王每个种群通常只有1只，工蜂数千至数万不等，雄蜂略少。工蜂则负责日常采蜜、筑巢、保卫、饲养幼虫等工作。
无人机群的操作手可类比于蜂群中的蜂王，负责操控整个无人机群；无人机群中的侦察机则更像勤勤恳恳的工蜂，侦查无人机负责侦查、探测任务，执行正常的作业任务，当危险来临时，又可以充当战斗机，与敌机进行作战；无人机集群中的轰炸机、战斗机则更像负责集群安全的兵蜂，轰炸无人机负责对敌方进行轰炸，战斗机负责护卫群体安全与敌人正面作战。
为降低无人机操作手的操作难度，实现1个操作手可轻松操作成百甚至上千架无人机，需要模拟生物的集群行为对这个无人机群进行管理。
要实现这个目地，首先需要设计集群管理控制器，通过设计控制算法，使这个群体能够像蚁群、鸟群等自主去寻找火炮阵地，同时在飞行过程中，探测周围的障碍物、雷达等威胁，并在机群内共享这些信息，使机群能够自主的规划出最佳飞行路线，避开威胁物，以最短时间到达目的地。在到达目的地后，根据各个无人机的功能，通过集群管理，给各个无人机分配不同的任务：
侦察机组负责侦察周边环境、火炮阵地具体坐标等，然后将火炮阵地坐标及周边环境信息发送给轰炸机组。
轰炸机组根据火炮阵地坐标，规划出最佳攻击路径，对火炮阵地及周边威胁物进行轰炸摧毁。
战斗机组负责周边警戒、护航，防止敌机进行骚扰拦截。
当然除此之外还会有负责引诱、通信、干扰等用途的机组来共同完成此任务。
就如同一个球队，有前锋、中锋、后卫、门卫，还有教练，他们共同组成了一个球队，有负责排兵布阵出谋划策的，有负责进攻的，也有负责守卫保护的，他们之间通过语言、手势来彼此配合，提高团队的战斗力，战胜对手。
而其中的涉及的关键技术有很多，主要包括整个无人机集群的管理、无人机集群的任务分配、无人机集群的航迹规划、无人机集群间的信息交互等等。
未来的无人机群什么样
近几年，无人机行业发展迅猛，无人机集群因其低成本、高效率的特点，在国内外已得到广泛关注。
2016年5月，美国空军正式提出《2016-2036年小型无人机系统飞行规划》，希望构建横跨航空、太空、网空三大作战疆域的小型无人机系统，并在2036年实现无人机系统集群作战。明确了美国空军小型无人机系统近期、中期和远期主要发展目标。
在美国国防部的领导下，国防先进研究计划局（DARPA）、战略能力办公室（SCO），以及空军、海军等都开展了大量的研究和论证工作，启动了多个项目，如“小精灵”项目、低成本无人机集群技术项目、“山鹑”项目、进攻性蜂群使能战术项目、拒止环境中协同作战项目等。
小精灵无人机群概念图
上图为无人机集群在复杂战场环境中协同作战的模拟作战效果图，可以看到机群由多个不同功能的无人机组成，包括一架有人机。有人机负责控制无人机群，对其发送指令，无人机群收到作战指令后，集群内侦查无人机自主探测敌方阵地坐标、探测威胁物，通过无人机群间网络，有人机与无人机群进行信息交互，通过无人机集群协同控制器的计算，规划处最佳的飞行路线及攻击方案，实现对敌方阵地的侦察及最大限度的破坏，最大限度提高任务成功率同时降低己方人员伤亡。
复杂战场环境中协同作战项目模拟作战图
此外，还有欧盟的异构多无人机实时协同和控制(COMETS)项目，以及澳大利亚研究中心的自主导航和环境感知研究项目等。
无人机集群技术在军事对抗领域已得到广泛关注，其低成本、大规模、高智能的特性，使其在民事领域也具有较好的发展前景，大规模协同工作方式将大大提高搜索效率、探测精度，为农林防护、搜索救援等赢取宝贵时间，同时提供准确数据。
（文章首发于科学大院，转载请联系cas@cnic.cn）
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