小型固定翼无人机集群综述和未来发展综述.pdf

在自然界中，为弥补个体能力的有限，诸多生物种群都能通过个体相互之间交流和合作呈现出某种群体行为，比如鱼群的结群游弋、鸟群聚集迁徙以及蚂蚁协同搬运等。这些生物界的观察激励了研究人员深入探索集群系统群体行为的原理和模式，以期望实现仅通过系统内局部的信息交换，使外部呈现出规则有序的协同行为的工作机制。受此激励，人们希望开发像鸟群、鱼群一样自由集结可以执行全局任务的无人机集群系统。

近年来，无人机集群因其潜在的巨大应用价值得到快速发展。一般而言，集群借助无人机机间的局部交互实现机群的群体行为从而解决全局性的协同任务。无人机集群，能够以分布方式完成大量单机系统无法完成，或者由群体更有效完成的任务。相比于旋翼无人机，固定翼无人机具有速度快、载重大、航程长等特点，在执行任务方面具有明显的优势。特别地，小型固定翼无人机由于具有体积小、成本低、易使用的优点，是适宜于大规模集群使用的理想平台[1]。

在此背景下，本文从集群系统内涵、现有典型项目、关键技术3个角度出发，对国内外小型固定翼无人机集群进行了全面综述。其中，在系统内涵方面，在介绍无人机集群系统基本概念的基础上，分析了无人机集群协同执行任务的优势，并给出了其在军民领域的广泛应用。在典型项目方面，从集群协同模式、指挥体系架构、基础性研究、集群验证4个视角总结现有典型项目。在关键技术方面，对体系架构、通信组网、决策与规划、飞机平台、集群飞行、集群指控等核心要素进行深度分析。此基础上，展望了未来小型固定翼无人机集群的发展趋势。具体而言，在给出无人机集群系统的概念和内涵基础上，本文的主要工作和贡献包括：

1) 系统总结了无人机集群项目的研究现状。采用自顶向下的方法，首次从集群协同模式探索、分布式指挥体系构建、核心关键技术突破和集群验证等方面综述了近年集群领域的代表性工作。

2) 从机载约束、数量规模、任务耦合、复杂动力学等角度深入分析了固定翼无人机集群控制的挑战。在此基础上，按照集群协同的技术体系，分别综述了体系架构、通信与组网、决策与规划、平台系统、集群飞行、集群安全、集群指控等核心关键技术的研究进展。

3) 针对小型固定翼无人机特点和面临的复杂环境任务需求，从群体智能牵引、多样化任务导向、分布在线处理、意外事件响应、低成本轻质化特色和平行仿真手段等角度，系统展望了这一领域未来的发展趋势。

无人机集群是将大量无人机在开放体系架构下综合集成，以平台间协同控制为基础，以提升协同任务能力为目标的分布式系统[1]。一般而言，集群中的无人机不具有全局信息，通过相邻无人机间的交互，实现机群的群体行为，达到全局性协同目标[2-4]。由于无人机集群行为是个体之间交互的结果，并不依赖于起主控作用的个体，因此集群系统通常具有鲁棒性、规模弹性和灵活性[3-4]。

从生物集群，例如蚁群、蜂群等典型群体的特点出发，集群中的个体通常自主能力有限，但是群体通常具有3个典型特点：

1) 去中心化：系统没有主导节点，一旦集群中任何个体消失或丧失功能，整个群体依然有序地执行任务。

2) 自主化：无人为操控，且所有个体观察临近个体状态控制自身行为，但并不对任何其他个体产生直接控制作用。

3) 自治化：所有个体形成稳定的集群结构，一旦任何个体脱离群体或因任何原因改变群体结构，新集群结构会快速形成并保持稳定。

固定翼无人机集群协同执行任务已经成为无人机系统应用的重要发展趋势。自20世纪90年代以来，无人机在军民领域受到了空前的关注并得到了迅速发展。因响应速度快、使用成本低、部署灵活等独特优势，无人机被普遍认为是未来信息化发展的重要平台。但是，由于环境复杂性和任务多样性，单无人机通常难以满足很多实际任务需求，比如复杂恶劣的战场环境，遮蔽物众多的城市环境等，单无人机由于机载设备数量、感知视点及范围受限等缺陷，通常难以执行持续目标跟踪、全方位饱和攻击等任务。故而，集群协同执行任务逐渐成为趋势。相比于单个无人机，拥有分布式特征的无人机集群在协同执行任务方面具有诸多优势。具体而言：

1) 具有分布并行感知、计算和执行能力，更好的容错性和鲁棒性等。集群中的多架无人机可以通过异质传感器的互补搭配，实现传感的并行响应；可以通过执行器分别执行子任务，实现总任务的分布执行。当部分无人机出现故障时，其他无人机可以替代它完成预定任务，使集群系统具有较高的容错性和鲁棒性。比如，在使用集群执行察打一体任务时，无人机集群可调整不同无人机携带的不同侦察设备(如光电吊舱、合成成径雷达(SAR))的姿态，对目标进行全方位、多角度侦测，提高感知范围和精度；可从多视角进行态势感知，比如重点区域/敏感目标的三维实时重构、隐藏/伪装目标的深度挖掘和学习分类等，获取不完全甚至冲突的局部态势信息；同时也可以对显著目标的异常行为进行分析和预判，比如敌方人员是否准备发动袭击、车辆/坦克是否集结进入作战准备、导弹是否进入发射状态、作战飞机是否准备起飞等；可从不同角度对同一高价值目标同时发动全方位饱和攻击，提高杀伤力和命中率。当由于自身故障或敌方攻击造成的部分无人机损失时，集群系统可通过敏捷重组，确保对重点目标的观测或打击效能不降级。

2) 可提升任务执行能力，完成单机完成不好或者不能完成的任务。协作的无人集群系统能够实现超过单个智能无人系统叠加的功能和效率，具备良好的包容性和扩展性。在大地测量和气象观测等领域，无人机集群携带分布载荷可完成单机无法完成的多点测量任务；在环境监测等领域，可组成移动传感器网络有效监测大范围的空气质量。在军事领域，无人机集群可以形成点面结合、灵活分组的自主系统，完成单个大型人机无法完成的任务。比如执行协同察打任务的无人机集群，部分无人机可以执行未知区域搜索的任务，部分无人机可以执行重点目标跟踪的任务，部分无人机可以执行目标打击任务等；甚至可通过接力方式，实现对穿越山洞等遮蔽环境目标的持续跟踪。

3) 具有更高的经济可承受性。通过合理的布局和协同控制，能够使用分散式的低成本无人机集群系统代替成本高昂的单个复杂系统，实现更多的经济效益。基于小型化、集成化、模块化的设计理念，和信息化、自动化、网络化的管理使用方式，可极大降低无人平台的生产、运输、维护、保障、使用成本。1 000架规模的无人机集群系统，其成本将低于1颗侦察卫星或1架有人机，但其综合效能有望超越1颗侦察卫星或1架有人机。

面对日益复杂的任务环境，小型固定翼无人机集群的运用越发广泛。由多个无人机组成在任务上相互关联的集群执行复杂任务的样式将成为未来军民用领域中无人机使用的一种重要样式，目前已在货物递送[5]、环境保护[6]、灾难响应[7]、农林作业[8]、森林防火[9]、安防巡逻[10]、目标搜索与追踪[11]等领域得到应用。

在民用领域，无人机集群在智能交通、物流运输、森林火灾监测、地质灾害探测、农业植保、国土资源监测、对地观测和遥感、高速公路管理、小区环境监测等场景中具备特有的优势。比如，在国土资源监测中，无人机集群以协同模式同时对区域进行监控，可以很大程度上实现区域的同步监控，增加有效覆盖面积，节约执行任务时间。

军事领域中，无人机自主集群势必成为未来作战的主流趋势。无人机集群将带来作战模式的颠覆性变革，可广泛应用于广域搜索侦查监视、边境巡逻搜救、城市反恐维稳等领域，并可衍生新的作战模式，提升体系作战效能。从2001年开始，美军先后发布了8版无人机/无人系统路线图，指导无人系统的顶层设计和规划发展。早在2005年，美军国防部发布的《无人机系统路线图2005—2030》将无人机自主控制等级分为1~10级，包括单机自主、多机自主、集群自主(分布式控制、群组战略目标、全自主集群)3个层面，并预计2025年后将具备全自主集群能力[12]。2016年5月，美国空军发布了首份针对小型无人机系统(起飞重量低于600千克)的飞行规划——《2016—2036年小型无人机系统飞行规划》，从战略层面肯定了小型无人机系统的前景和价值，并对集群作战概念进行了阐述[13]。

无人机集群因其典型优势，有望在未来战场的协同探测、协同攻击、干扰压制等各方面发挥巨大作用，成为一支不可忽视的新质力量。

在协同探测方面，无人机集群在战场上可以协同执行各种侦察、监视任务，对某一军事敏感区域实行常态化不间断监控，以全面获取战场环境监测和评估信息；在通信中继、电子对抗、和欺骗迷惑等方面，无人机集群也具有更高的成功率。特别地，分布式的系统拓扑结构使系统无中心脆弱点，损失部分平台对集群整体任务能力的影响不大，抗毁性好；同时，损毁补充替换简便，系统维护成本低。

在协同攻击方面，无人机集群攻击可避免飞行员伤亡，并且成本可承受，这是完全不同于以往的一种新的“缠斗”方式。任何飞行器，不管是有人还是无人的，都可能被单个导弹打下来，但是无人机集群却能够承受多次打击，继续完成任务。无人机集群系统将迫使敌人形成了“大炮打蚊子”的作战劣势，即使部分无人机被对方摧毁，也不影响集群系统的整体作战能力，通过队形的重组和任务的重新分配，实现核心攻击任务能力不降级。

在干扰压制方面，无人机集群在攻防两端显著成本不对称。集群中的无人机通常是典型“低小慢”目标，易于躲避敌方雷达防空系统，但对无人机实施打击却通常需要动用精确打击武器，如果敌方发动饱和式攻击，将耗尽其防御武器。以美军“提康德罗加”级巡洋舰为例，该巡洋舰装备了“宙斯盾”系统，最多可同时监视空中240个目标。如果无人机集群超过250个，同时又是一种“低小慢”的空中目标，将导致其监视能力达到饱和。因此，无人机集群系统可以“引诱式”耗尽对手的高价值攻击武器，从而增加对手攻击的相对成本，以规模优势给对方造成惨重的损失。又如，可以利用无人机集群搜索隐形战斗机和导弹发射车引诱对方开机，让可消耗的无人机“自杀式”打前阵，让宝贵的有人机/有人车殿后，可能有助于在未来战争中减少人员和昂贵装备损失。在过去，数量较少的极度昂贵的有人机是战场的标准配置，但是在未来的几年中，大量便宜的、消耗性的无人机将广泛地出现在战场上。