详解：为什么集群无人机是趋势以及它的关键技术是什么？

发布时间：2023-02-10 16:31:51 来源：文档文库

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详解：为什么集群无人机是趋势，以及，它的关键技术是什么？雷锋网(公众号：雷锋网按：作者萧殷，泊松技术联合创始人，关注无人系统自主、自治技术与人工智能。本文是作者基于无人机大神VijayKumar在雷锋网CCF-GAIR上发表的5S理论基础上做了延伸，详细探讨了集群无人机的关键技术和优势，并预测，集群技术可能是无人机技术发展的重要热点。内容较长，分为上下两篇，本文为第一篇。|引言作为一个发展速度快、迭代周期短的领域，无人机技术的趋势一直是业内讨论的焦点。今年8月，在中国计算机学会主办，雷锋网承办的CCF-GAIR峰会上，被称是无人机大神的VijayKumar教授提出来他的5S趋势理论：Small（小型），Safe（安全），Smart（智能），Speed（敏捷）和Swarm（集群），与一直被广泛研究的前四个S不同，Swarm集群技术目前还主要在学术界和国防领域受到关注，集群智能（SwarmIntelligence）作为一种Game-Changing的颠覆性技术，一直被中美等国军队视为无人化作战的突破口。最近，在珠海航展上，中国电科CETC披露了我国第一个固定翼无人机集群试验原型系统，实现了67架规模的集群原理验证，打破之前由美国海军保持的50架固定翼无人机集群的世界纪录，该成果由CETC电科院、清华大学、泊松技术携手完成。结合今年Intel团队100架和500架多旋翼无人机的震撼空中灯光秀，我们已经可以看出无人机集群技术发展的端倪，甚至可以谨慎地预测，集群技术可能是无人机技术发展的下一个重要热点。|概念与起源集群行为（Swarmbehaviour）、或者群行（Swarming）是一种生物的集体行为，最典型的例子是外观上看起来一群实体聚集在一起兜圈或朝特定方向行动。生物界中的昆虫、鸟类、鱼类、水生动物、人与细菌都会出现集群行为。机器人的集群技术的灵感来源于自然，正如上世纪初发明飞机就是受到了飞鸟的启发一样，无人机集群概念起源于古老的昆虫蜜蜂，蜂群内部分工明确，个体之间存在着丰富有趣的信息交流语言，社会行为丰富。早在1亿2千万年前，蜜蜂就以集群的方式在地球上，每个蜂群由蜂王、工蜂和雄蜂组成，蜂王通常每群只有一只；工蜂自数千至数万只不等，雄蜂一般只在群体需要的季节里才存在。宋代诗人戴表元所作诗词之一《义蜂行》中就曾写道：“朝朝莫莫与蜂狎，颇识蜂羣分
等差。一蜂最大正中处，千百以次分来衙。”在概念上，与鱼群、鸟群、蜂群、蚁群类似，机器人的集群行动也可用此术语描述，因此我们创造了无人机集群即UAVSwarm的概念。从抽象的角度来看，群体行为是大量自驱动粒子系统的集体运动。从数学模型的角度来看，它是一种突现（Emergence）行为，即个体遵循简单的运动和逻辑规则，不需要任何有中心的中央协调，而又能自然而然的呈现群体特征。集群行为也被物理学家当作一种非热力学平衡现象加以研究，他们需要研究新的统计物理学工具来对付这种非热力学平衡系统。在理论研究仍然不着边际的80年代，数值计算科学家首先用模拟程序boids在计算机上模拟群体行为，该程序根据一组基本规则来模拟一组简单智能体的运动，这个程序首先用来模拟鸟类的集群行为，后来也被用于研究鱼类和其他集群动物。数学模型最简单的集群数学模型只遵循如下三个原则：1、个体沿着邻居相同的方向移动2、个体保持靠近邻居3、个体避免与邻居碰撞例如，下图左边是鱼群的度量距离模型，每条鱼都排斥近距离范围的其他个体；跟随中等距离的其他个体；吸引较远距离的其他个体。下图右边是鱼群的拓扑距离模型，每条鱼只关注距自己最近的6～7条鱼，而不管其他较远的个体。共识主动性（stigmergy）在集群智能领域的一个关键概念是stigmergy，即共识主动性，是智能体或行为之间的间接协调机制。观察蚂蚁：它们是非常普通的动物，通过分布路径上的信息素来相互交流，这让它们看起来很聪明。共识主动性不需要任何控制或者代理间的直接通信，就能产生复杂流程。它的原理是通过动作留在环境中的轨迹刺激下一个动作的执行，随后其他个体的行动连贯而有序，前后协调共同完成复杂的工作，Stigmergy是一种自组织的、有系统活动，它产生复杂的，看似智能的结构，不需要任何集中规划，控制或甚至也不需要个体之间的直接通信。因此，它支持极简单的个体之间的高效协作，确保简单生物体在缺乏任何记忆、智力、沟通甚至彼此不能互相意识到的情况下，也能完成复杂的集体协调任务。集群智能（SwarmIntelligence）集群智能来源于群居性生物通过协作表现出的宏观智能行为，具有分布式、无中心、自组织的的特点。从1991年意大利学者Dorigo提出蚁群优化理论开始，集群智能作为一个理论被正式提出，并逐渐吸引了大批学者的关注，从而掀起了研究高潮。1995年，Kennedy等学者提出粒子群优化算法，此后集群智

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