在2022年北京冬奧會開幕式之夜，由2022架無人機組成的集群以極富創(chuàng)意的3D動態(tài)表演，在夜空中勾勒出漫天飛舞的雪花、冬奧會會徽以及“冰墩墩”和“雪容融”，給很多觀眾留下深刻印象。近年來，無人機集群應(yīng)用在飛行表演、快遞物流、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、城市交通等領(lǐng)域大顯身手，在世界范圍內(nèi)漸趨流行。
集群概念最早源于生物學(xué)研究，自然界中的生物通過個體自主決策和個體間的信息交互，使整個群體具有自組織性、協(xié)作性、穩(wěn)定性及環(huán)境適應(yīng)性。受此啟發(fā)，無人機研究者嘗試通過模擬自然界中的鴿群避障、雁群編隊等生物群體智能行為，用一個“智能大腦”將多個無人機連接起來組成無人機集群。通過感知交互、信息傳遞和協(xié)同工作，使無人機集群成為自主式空中智能系統(tǒng)。這一系統(tǒng)并非單個平臺的簡單疊加，而是通過集群自主控制策略使之產(chǎn)生集群協(xié)同效應(yīng)，實現(xiàn)“1+1>2”的群體智能。
集群化、自主化、智能化的無人機集群是未來無人機的重要發(fā)展方向。無人機集群相對單個無人機系統(tǒng)，可利用其規(guī)模優(yōu)勢，完成復(fù)雜任務(wù)，更具強生存能力和成本優(yōu)勢。比如，當(dāng)部分無人機出現(xiàn)故障時，其他無人機可以替代其完成預(yù)定任務(wù)，使集群系統(tǒng)具有較高的容錯性和自愈能力。如果有新的無人機加入集群，它可以通過與邊界處無人機建立通信，使新的集群迅速融合。此外，通過合理的布局和協(xié)同控制，低成本無人機集群可代替成本高昂的單個復(fù)雜系統(tǒng)，發(fā)揮更大的經(jīng)濟(jì)效益。1000架規(guī)模的無人機集群系統(tǒng)的成本可能低于1架有人機，而綜合效能有望更高。
無人機集群飛行表演主要利用三維建模、集群自組網(wǎng)通信、差分GPS等技術(shù)，以“擊鼓傳花”的方式，實現(xiàn)無人機之間的信息交換，確保運行軌跡精確到位。它對時間同步和定位精度技術(shù)要求非常高，個體數(shù)量越多，其整體運行難度越大。2021年，中國無人機團(tuán)隊以5200架無人機集群飛行表演，一舉刷新4項吉尼斯世界紀(jì)錄，躍居無人機編隊表演榜首。
近年來，隨著人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，更智能化的無人機集群相繼出現(xiàn)。英國正嘗試使用無人機集群大規(guī)模植樹，通過算法計算出該區(qū)域最有效的種植模式，從而降低投入成本并提高產(chǎn)量。在高層建筑的火災(zāi)場景下，無人機集群可用偵察、投放、破窗、噴灑滅火等多種手段應(yīng)對復(fù)雜火情，并且能夠探測感知火情蔓延變化趨勢，自主改變隊形并分工協(xié)作，從而提高滅火工作效率，減少救援人員的傷亡。在大地測量和氣象觀測等領(lǐng)域，無人機集群攜帶分布載荷可完成單機無法完成的多點測量任務(wù)，提供更準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)。
群體智能技術(shù)是無人機集群發(fā)展的核心關(guān)鍵技術(shù)之一，也是未來重點發(fā)展的領(lǐng)域。受現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展水平限制，無人機集群目前還存在“有智無慧、有感無情、有專無通、有協(xié)無同”的瓶頸，與鳥群、魚群等生物的群體智能還有一定差距，自主完成復(fù)雜任務(wù)的能力仍待提高。隨著人工智能、傳感和通信等技術(shù)的快速發(fā)展，無人機集群必將展現(xiàn)出更廣闊的應(yīng)用前景，為人類的生產(chǎn)和生活帶來更多科技紅利。
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