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南航专家详解“蜂群”无人机的协同飞行

来源:宇辰网 时间:2017-12-11 09:09:37  

  12月8日上午,世界智能制造大会分论坛之“2017全球无人机峰会”在南京青年国际会议中心举行。

  在会上,南京航空航天大学无人机研究院副总工程师黄大庆深入探讨了“蜂群”无人机的技术分解以及当前国内外研究现状。他把“蜂群”无人机技术简化到四个方面,第一控制,第二规划、第三感知、第四通讯。

  南京航空航天大学无人机研究院副总工程师黄大庆/图 来源宇辰网

  以下是宇辰网整理的演讲全文:

  今天我讲的内容是现在比较时髦,无人机界每年都会推出各式各样新技术,目前这两年推出了一个新技术:“蜂群”无人机的协同飞行。

  先介绍一下,我来自南京航空航天大学无人机研究院,我们无人机研究院是国内最早研究无人机单位,我们当年在核实验取样无人机,钻到蘑菇云当中把碎片取出来,就是用的我们的无人机,这是第一个。第二个我们有工信部重点实验室,目前无人机在全国没有国家实验室,也没有国家重点实验室,我们这个实验室是目前国家级的,国内的最高等级的实验室,很多无人机学术问题在里面讨论,无人机检测、技术上面的一些探讨,都可以在这做。

  今天讲三个方面,国内外研究情况、“蜂群”无人机技术怎么样分解、我们当前研究现状。

  首先是国外研究情况,仅以美国为例,为什么仅以美国为例,其他国家也没有,美国五角大楼的战略能力办公室与行军航空系统司令部共同发布了。2017年1月,用F18,就是大黄蜂撒了一批无人机,做了一个实验;在去年10月份,在中国湖,这是美国一个湖,他们也做了“蜂群”的无人机实验,要达到的目的就是,如果有人机带无人机协同飞行(不带大型无人机,而是带小型无人机),飞到当地上空释放下来,比如说一千架,每个无人机寻自己目标攻击、侦查、对抗,这是一种新战术,即“蜂群”战术。

  第二,美国国防部高级研究计划局,就是DARPA,美国军用新技术都从这里出来,在惠灵顿正在做一个小精灵计划和一个攻击“蜂群”战术的项目,这两个项目是美国DARPA做的,内容也跟前面一样。

  第三,美国海军研究办公室,跟刚才讲的海军不是一家,做一个“蝗虫计划”,也是多架无人机一起飞行,一起执行任务,各个价值很低小型无人机共同来实现一个大目标,你打我一架不值钱,还要消耗很多导弹,拼消耗你也拼不过我,我还很多,我第二批又来了,这是一个新的发展方向。现在美国的无人机路线图中间,群还没有加进去,美国很愿意搞路线图,非常愿意做计划类工作,还没做先把计划做好,先把发展方向做好。而且美国无人机路线图经常换,一换就是20年。我国军方在军改之前,无人机专业组和空8所一起编了国家军用无人机路线图。今年中国航空学会下面有无人机分会,我们也参与编写了民用无人机路线图,今年整个无人机的学术会议就在南航主办,这些活动都是为了要发展新技术。

  由此可见,仅仅美国五角大楼至少已经有三个组织在搞“蜂群”类,或者无人机群类的研究了。小的无人机用群实现,下面是他提出这段话,“蜂群”无人机几乎有无限能力,科技突破敌人防御,形成安全的、能自我恢复的通信网络,如果被打掉几个,还会重新组合,通讯网络组合起来提供网络侦查、搜索和救援模式识别,可以用复杂计算,把他们与其他信息源融合起来。

  这是国外的情况。国内什么情况?我自豪地告诉大家,我国目前进入新时代了,十九大以后,我们国内一点都不比国外差,现在十三五军方预演,陆军直接公布我们在搞多机协同无人机,我所在的这个科技组就中了这个标,现在装发(装备发展部)、海军、军科也有多个类似项目,我们也在积极参与。

  民口,中国的民口是科技部管,现在叫国家重点研发计划,也有很多这样的项目,今年上半年我们报了,但是很遗憾没中标,2018年指南我已经看到了也有很多类似项目,警用反恐的一个项目这个月就能出结果,实飞方面,电科院有119架固定翼。亚运会也会有1000多架飞机,今年上半年我们重点实验室有20架,批量还比较小。

  “蜂群”无人机技术分解。“蜂群”这件事情,动物首先有先天性、原始性,原始性有的动物协调性好,有的协同性差,差别就是后天学习,和社会形态的学习。它要有四个方面的技术,下面会讲到,现在研究蚁群已经有很多成果了,大学里有蚁群算法,老师带学生做,鸟群算法,鱼群算法,这两个是有特点的,你在海滩上放一个鞭炮,所有的鱼往一个方向飞,不碰撞,鱼在一起游,有碰撞,但是鱼鳞比较滑也不会出大问题,但是蜜蜂不一样,到处飞都不碰撞,而且能把一个协调的任务完成好。

  所以“蜂群”目前是比较时髦,要研究研究,我们仅以“蜂群”为例,我们专门请教了农业大学的动物专家,我们得到了几条的结果。

  第一,弱中心自主飞行,每一个蜜蜂是自主飞行,蜂王不太指挥的,每个个体都是同等级个体;第二,工蜂就是做工的蜜蜂,飞行前就知道目的,他要采蜜,行进期间他是经常变化的,变化飞行轨迹和飞行目的性,第三,它有几种感知传感器并存,但是有没有定量测试?不知道。我们人没有,我看你就能知道远近,就定性,你离我近一点,这个物体大一点,但是没有定量,我们俩到底是两米、三米还是五米,那么通讯是有的,“蜂群”啊,但是估计大家都能通讯,我们人自主网络通讯,人相互之间都科技同群,这种通讯方式叫自主网络同群,接下来的6G就是自主网络通讯,要达到的目的,1+1+1⋯⋯要大大的大于N,如果加起来等于N就没有意义。可是“蜂群”,我们研究下来,它大于N,但大得不多,真正大得多的是狼群,这是什么概念?如果黑社会的组织打架,没有什么太好的组织,一帮人跟一帮人打不行,打到最后基本上跟个体打架加起来差不多,可是有高级指挥员指挥的军队打仗,以少胜多战例很多,指挥组织能力体会出来,你一定要像狼群一样有极好组织能力,获胜可能性更大,我们后来发现“蜂群”,美国人叫的“蜂群”不好,他是用会飞的动物形容这个事件,如果有飞狼肯定比他还好。

  我们把它简化讲四个方面,第一控制,第二规划、第三感知、第四通讯第一个方面,每个个体行为自主控制并与群体控制协调一致;第二分解技术,事先的行为分配,任务分配与事中重新分配;第三个体相互之间与环境之间的感知与测量,感知规避与导航技术;第四个体之间能交换信息和中转信息,就是自主组织网络信息技术。

  下面汇报一下我们目前在做的情况,跟美国也不差多少。

  第一个技术就是协同控制,很多架无人机在天上协同控制是什么情况。首先是中心控制,地面一个点控制天上很多飞机;第二个是长掺控制方式,可以由有人机带无人机;第三个规避,内部不能碰撞,一群飞机碰到一起就麻烦了,专门有控制算法,这两个飞机一旦靠近了,自动分开。这就是算法保障;第四是一字长蛇,这种方式在丛林作战,山林作战,或者城市作战很需要,我只要控制一个长机钻进去,所有的飞机都跟着它轨迹一起钻进去。能看见后面的飞机跟着前面的飞机走。

  第二个技术是规划技术,四架飞机有八个目标,怎么样把航线规划出来,现在我们已经做到100个飞机100个目标怎么规划,各种规划方式,最大的效率、模式,一架飞机都不损失把任务执行完,最快的模式,我情愿损失飞机,也要把敌人的点攻下来。

  第三个感知与规避,目前我们做的是视觉算法,两个点不同,测距、尽量做到定量视觉算法

  第四个自主网络,每个点相互之间都传数据,这个自主网络设备我们装上去做实验,然后又弄了20架小的旋翼机,我们要实现两架固定翼在空中指挥20架旋翼机。

  目前我们在国内外首次做到这两点,第一点,实现了两种个性无人机混合编队规划与控制,初步实现了子机跟随母机的飞行模式,这是军用很需要的。第二实现了多无人机之间的通讯与感知,而不是通过WIFI方式,是通过自主网络的方式实现的

  本次峰会除了丰富的演讲内容外,峰会现场设置了无人机展示区。来自中云图、乐乐飞、奇蛙科技、江苏启飞、模幻天空等多家江苏本土企业展示了自主研发、代理经营的多种无人机,涵盖了工业巡检、农业植保、消费体验等多领域、多用途的无人机先进产品和相关配件。

  此次2017全球无人机峰会的成功举办,不仅为2017世界智能制造大会注入了活力,同时也为江苏省的无人机产业发展提供了良好的交流平台。

责编:杨晓芳