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!
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。
多无人机集群协同搜索
为更好的理解无人机集群系统,我们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。
近几年,无人机行业发展迅猛。
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。