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人民日报 2022年07月13日 星期三

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无人机集群应用前景广阔(科技大观)

段海滨 《 人民日报 》( 2022年07月13日   第 15 版)

  在2022年北京冬奥会开幕式之夜,由2022架无人机组成的集群以极富创意的3D动态表演,在夜空中勾勒出漫天飞舞的雪花、冬奥会会徽以及“冰墩墩”和“雪容融”,给很多观众留下深刻印象。近年来,无人机集群应用在飞行表演、快递物流、精准农业、城市交通等领域大显身手,在世界范围内渐趋流行。

  集群概念最早源于生物学研究,自然界中的生物通过个体自主决策和个体间的信息交互,使整个群体具有自组织性、协作性、稳定性及环境适应性。受此启发,无人机研究者尝试通过模拟自然界中的鸽群避障、雁群编队等生物群体智能行为,用一个“智能大脑”将多个无人机连接起来组成无人机集群。通过感知交互、信息传递和协同工作,使无人机集群成为自主式空中智能系统。这一系统并非单个平台的简单叠加,而是通过集群自主控制策略使之产生集群协同效应,实现“1+1>2”的群体智能。

  集群化、自主化、智能化的无人机集群是未来无人机的重要发展方向。无人机集群相对单个无人机系统,可利用其规模优势,完成复杂任务,更具强生存能力和成本优势。比如,当部分无人机出现故障时,其他无人机可以替代其完成预定任务,使集群系统具有较高的容错性和自愈能力。如果有新的无人机加入集群,它可以通过与边界处无人机建立通信,使新的集群迅速融合。此外,通过合理的布局和协同控制,低成本无人机集群可代替成本高昂的单个复杂系统,发挥更大的经济效益。1000架规模的无人机集群系统的成本可能低于1架有人机,而综合效能有望更高。

  无人机集群飞行表演主要利用三维建模、集群自组网通信、差分GPS等技术,以“击鼓传花”的方式,实现无人机之间的信息交换,确保运行轨迹精确到位。它对时间同步和定位精度技术要求非常高,个体数量越多,其整体运行难度越大。2021年,中国无人机团队以5200架无人机集群飞行表演,一举刷新4项吉尼斯世界纪录,跃居无人机编队表演榜首。

  近年来,随着人工智能技术的飞速发展,更智能化的无人机集群相继出现。英国正尝试使用无人机集群大规模植树,通过算法计算出该区域最有效的种植模式,从而降低投入成本并提高产量。在高层建筑的火灾场景下,无人机集群可用侦察、投放、破窗、喷洒灭火等多种手段应对复杂火情,并且能够探测感知火情蔓延变化趋势,自主改变队形并分工协作,从而提高灭火工作效率,减少救援人员的伤亡。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,提供更准确的测量数据。

  群体智能技术是无人机集群发展的核心关键技术之一,也是未来重点发展的领域。受现有技术发展水平限制,无人机集群目前还存在“有智无慧、有感无情、有专无通、有协无同”的瓶颈,与鸟群、鱼群等生物的群体智能还有一定差距,自主完成复杂任务的能力仍待提高。随着人工智能、传感和通信等技术的快速发展,无人机集群必将展现出更广阔的应用前景,为人类的生产和生活带来更多科技红利。

  (作者为北京航空航天大学“长江学者”特聘教授)  

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