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2018年10月3日 星期三

PSW 2319 Swarms Beyond Solo UAVs, Flying Teams of Robots | Vijay Kumar






leiphone:知情人士



作者蕭殷,泊松技術聯合創始人,關注無人系統自主、自治技術與人工智。本文是作者基於無人機大神Vijay Kumar在CCF-GAIR上發表的5S理論基礎上做了延伸,詳細探討了集群無人機的關鍵技術和優勢,並預測,集群技術可能是無人機技術發展的重要熱點。內容較長,分為上下兩篇,本文為第一篇。

| 引言

作為一個發展速度快、迭代週期短的領域,無人機技術的趨勢,一直是業內討論的焦點。

2016年8月,在中國計算機學會主辦的CCF-GAIR峰會上,被稱是無人機大神的Vijay Kumar教授提出來他的5S趨勢理論:Small(小型),Safe(安全),Smart(),Speed(敏捷)和Swarm(集群),與一直被廣泛研究的前四個S不同,Swarm集群技術目前,還主要在學術界和國防領域受到關注,集群智慧(Swarm Intelligence)作為一種Game-Changing的顛覆性技術,一直被中美等國軍隊,視為無人化作戰的突破口。

最近,在珠海航展上,中國電科CETC披露了對岸中國第一個固定翼無人機集群試驗原型系統,實現了67架規模的集群原理驗證,打破之前由美國海軍保持的,50架固定翼無人機集群的世界紀錄,該成果由CETC電科院、清華大學、泊松技術攜手完成。

結合Intel團隊100架和500架,多旋翼無人機的震撼空中燈光秀,我們已經可以看出無人機集群技術發展的端倪,甚至可以謹慎地預測,集群技術可能是無人機技術,發展的下一個重要熱點。

| 概念與起源


集群行為(Swarm behaviour)、或者群行(Swarming)是一種生物的集體行為,最典型的例子是外觀上,看起來一群實體聚集在一起兜圈,或朝特定方向行動。生物界中的昆蟲、鳥類、魚類、水生動物、人與細菌,都會出現集群行為。

機器人的集群技術的靈感,來源於自然,正如上世紀初發明飛機,就是受到了飛鳥的啓發一樣,無人機集群概念,起源於古老的昆蟲蜜蜂,蜂群內部分工明確,個體之間存在著豐富有趣的資訊交流語言,社會行為豐富。

早在1億2千萬年前,蜜蜂就以集群的方式在地球上,每個蜂群由蜂王、工蜂和雄蜂組成,蜂王通常每群只有一隻;工蜂自數千至數萬只不等,雄蜂一般只在群體需要的季節裡才存在。

宋代詩人戴表元所作詩詞之一《義蜂行》中就曾寫道:「朝朝莫莫與蜂狎,頗識蜂羣分等差。一蜂最大正中處,千百以次分來衙。」在概念上,與魚群、鳥群、蜂群、蟻群類似,機器人的集群行動,也可用此術語描述,因此我們創造了無人機集群即UAV Swarm的概念。

详解:为什么集群无人机是趋势,以及,它的关键技术是什么?(上)

從抽象的角度來看,群體行為是大量自驅動粒子系統的集體運動。

從數學模型的角度來看,它是一種突現(Emergence)行為,即個體遵循簡單的運動和邏輯規則,不需要任何有中心的中央協調,而又能自然而然的呈現群體特徵。

集群行為也被物理學家當作一種,非熱力學平衡現象加以研究,他們需要研究新的統計物理學工具,來對付這種非熱力學平衡系統。

在理論研究仍然不著邊際的80年代,數值計算科學家首先用模擬程式boids,在電腦上模擬群體行為,該程式根據一組基本規則,來模擬一組簡單智能體的運動,這個程式首先用來模擬鳥類的集群行為,後來也被用於研究魚類和其他集群動物。

數學模型
最簡單的集群數學模型,只遵循如下三個原則:

1、個體沿著鄰居相同的方向移動

2、個體保持靠近鄰居

3、個體避免與鄰居碰撞

例如,下圖左邊是魚群的度量距離模型,每條魚都排斥近距離範圍的其他個體;跟隨中等距離的其他個體;吸引較遠距離的其他個體。

下圖右邊是魚群的拓撲距離模型,每條魚只關注距自己最近的6~7條魚,而不管其他較遠的個體。

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共識主動性(stigmergy)
在集群智慧領域的一個關鍵概念是stigmergy,即共識主動性,是智慧體或行為之間的間接協調機制。

觀察螞蟻:它們是非常普通的動物,透過分布路徑上的資訊素來相互交流,這讓它們看起來很聰明。共識主動性不需要任何控制,或者代理間的直接通信,就能產生複雜流程。

它的原理是透過動作,留在環境中的軌跡刺激下一個動作的執行,隨後其他個體的行動連貫而有序,前後協調共同完成複雜的工作, Stigmergy是一種自組織的、有系統活動,它產生複雜的,看似智慧的結構,不需要任何集中規劃,控制或甚至也不需要個體之間的直接通信。

因此,它支持極簡單的個體之間的高效協作,確保簡單生物體在缺乏任何記憶、智力、溝通,甚至彼此不能互相意識到的情況下,也能完成複雜的集體協調任務。

集群智慧(Swarm Intelligence)
集群智慧來源於群居性生物,透過協作表現出的宏觀智慧行為,具有分布式、無中心、自組織的的特點。從1991年義大利學者Dorigo ,提出蟻群優化理論開始,集群智慧作為一個理論被正式提出,並逐漸吸引了大批學者的關注,從而掀起了研究高潮。

1995年,Kennedy 等學者提出粒子群優化算法,此後集群智慧研究迅速展開,自Gerardo Beni和Jing Wang,於1989年在研究細胞機器人系統時,引入這個概念開始,集群智慧開始廣受AI領域的研究者關注,並以不同生物命名了一系列算法,較為經典的粒子群、蟻群、人工魚群、文化算法,到最近幾年比較新的混合蛙跳算法、貓群算法、蟑螂算法等等。

集群智慧的特點包括:

1、控制是分布式的,不存在中心控制。因而它更能夠適應當前網路環境下的工作狀態,並且具有較強的強健性,即不會由於某一個或幾個個體出現故障,而影響群體對整個問題的求解。

2、群體中的每個個體,都能夠改變環境,這是個體之間間接通信的一種方式,即上面提到的共識主動性(Stigmergy)。由於集群智慧,可以透過非直接通信的方式,進行資訊的傳輸與合作,因而隨著個體數目的增加,通信開銷的增幅較小。因此,它具有較好的可擴充性。

3、群體中每個個體的能力,或遵循的行為規則非常簡單,因而集群智慧的實現比較方便,具有簡單性的特點。

4、群體表現出來的複雜行為,是透過簡單個體的交互過程,突現出來的智慧( Emergent Intelligence) 。因此,群體具有自組織性。

Intel's 500 Drone Light Show | Intel

機器人集群
將群體原理應用於機器人稱為群體機器人,而集群智慧是指更為通用的算法集合。研究人員為成千上萬的,小型機器人的群體行動建立模型,研究使它們一起執行任務的算法,例如找到隱藏的東西,清潔大樓外牆或協調蒐集資訊。

每個機器人只具有相當簡單的功能,但集群之後的群體行為則相當複雜多樣。

整個機器人集群,可以被認為是一個分布式系統,如蟻群一樣成為一個具有集群智慧的超級有機體。

到目前為止最大的機器人集群,是由1024個機器人組成的Kilobot。其他有代表性的集群項目包括iRobot群、ActivMedia的Centibots項目和開源的Micro-robotic項目。

機器人集群能夠提高故障冗餘度,單一的大型機器人,可能會因故障失效從而影響任務執行,但是集群中即使有幾個機器人失效,集群整體也能繼續工作,不影響工效,這一特點對於執行空間探索任務特別有吸引力,因為高昂的成本,帶來的單節點失效,常常導致昂貴的損失。

機器人集群,包括地面機器人集群、空中機器人,也就是無人機集群、水面和水下機器人集群等多種形式。

例如,奧地利Ganz人工生命實驗室的研究人員,發佈了世界上最大的水下無人機群:CoCoRo自主水下航行器集群。該項目由Thomas Schmickl領導,由41個水下機器人(AUV)組成,可以協同完成任務。 


详解:为什么集群无人机是趋势,以及,它的关键技术是什么?(上)

這些研究人員有一個雄心勃勃的目標:瞭解機器人網路,是否能夠展示群體認知,將該系統形成的群體智慧,與自然界中的生物集群進行比較研究。

「透過執行複雜的實驗(元認知),我們將比較我們的結果與自然界的生物群,評估我們的科學成果,尋求生物學,神學,元認知,心理學和哲學領域的新發現」。這個項目的目標是:生態監測,搜索,維護,探索和收穫水下棲息地的資源。

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| 集群成為無人機發展趨勢


在Kumar看來,無人機未來總體的發展趨勢是「自主」(Atonomy),具體可以用5S來概括,前4個S為:

  • Small
未來機器人多應用於搜索和營救等場景,如果一個無人機體積太大,那麼將極不利於其對環境的勘探。面對未知的環境,小型無人機有更強的自主性。像一群小蜜蜂。但同時,這也帶來一些負面的挑戰。當一個無人機的尺寸縮小至甚至11釐米的直徑,20克的重量,它根本不能移動一些木塊、石頭等物體。

  • Safe
又小又安全的無人機,即使碰撞到路人也不會致傷,這樣才更容易在生活各種環境中,進行飛行控制。而且,由於機器體積變小,其慣性也會減小,能夠在發生撞擊時,迅速自我調整平衡。

  • Smart & Speed
無人機在躲避障礙物過程中,能夠透過感測器、雲端控制、攝影機這樣的循環,此外,依靠電腦視覺對環境進行檢測,分析周圍環境的特徵,實現自我規劃路徑,就像人看到障礙物知道繞道那樣。

第5個S即Swarm集群,Kumar大神指出,小型化所付出的一個代價是載重變小,能完成的任務隨即減少,為此他們從蜂群的工作方式中獲取靈感,讓多個無人機協作,完成個體無法勝任的任務。因此,集群無人機集群的組織方式為:

1. 個體獨立行動,行動是本地的和獨立的;

2. 僅需要本地信息即可行動,即使無法知道全局資訊,個體也能行動;

3. 行動匿名,獨立於身份,不瞭解個體資訊也能完成任務。

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| 集群無人機優勢

  • 解決有限空間內多無人機之間的衝突
以當下正火的無人機快遞技術為例,如何讓未來漫天的快遞無人機,像人類快遞小哥一樣協同作業,也就是一定區域內的無人機避開同類障礙,保持良好有序對空中交通,就需要相互協作,本質上相當於運作一個協調的集群系統。

Kumar場景舉過一個無人機繪製長城地圖的例子,這顯然是單一的無人機無法做到的,逐個給多架無人機設定作業任務,也是件麻煩事,最佳的方案顯然是,給作為集群的多架無人機一個整體任務,集群自行分解、協同、分段作業無縫完成任務。

  • 以低成本、高度分散的形式滿足功能需求
無人系統集群可由不同的平台實現高低混搭,為實現不同的功能,採取一系列由大量分散的低成本系統協同工作機制以完成任務,這與投資開發造價昂貴、技術複雜的多任務系統策略完全不同。針對不同類型的工作目標,無人系統集群可利用混合搭配的異構優勢,以低成本、高效率的完成工作。

  • 動態自愈合網路
無人機與自主系統可協同,形成具備自愈合功能的、執行資訊蒐集和通信中繼等,行動的主動響應網路。無人與自主系統組成的集群網路相互協同,可分別採集資訊,還能依據需要調整,搭載通信載荷的無人系統數量,形成具有一定冗餘的通信中繼站。

  • 分布式集群智慧
大量的平台可實現分布式投票,以解決問題。例如集群作業中,目標確定問題,透過大量平台,各自發送對同一目標地理位置資訊的判斷信號,這種分布式投票得出的結果,往往正確率很高。

  • 分布式探測
廣泛分布傳感器的能力,對於主動與被動探測,以及定位精度而言,有著明顯幫助。多平台可以相互協作完成目標精度定位,當需要主動探測時,平台間還可採取頻率、波段不同的雷達進行全頻譜探測,將極大提高探測能力。

  • 可靠性
無人機集群數據鏈網路,能夠支持冗餘備份機制,和具有一定的自愈能力,以提供可用性保證,集群網路能夠監控已建立連接,具備應對意外中斷的自動恢復能力,集群應具備一定的擁塞處理和衝突應對能力。

  • 去中心化自組網提升抗故障能力、自愈性和高效資訊共享能力
目前無人機的通信模式,仍然以單機與地面站通信方式為主,資訊傳輸仍是集中式的,去中心化的無人機集群,利用自組網技術可以實現無人機之間資訊的高速共享,同時提高集群的抗故障與自愈能力。

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| 集群無人機關鍵技術


  • 集群控制算法
多無人飛行器系統,要實現相互間的協同,就必須確定無人飛行器之間,邏輯上和實體上的資訊關係和控制關係,針對這些問題而進行的體系結構研究,可以將多無人飛行器系統的結構,和控制有飛行器地結合起來,保證多無人飛行器系統中,資訊流和控制流的暢通,為無人飛行器之間的交互提供框架。

集群控制算法,不僅要保證多無人飛行器之間,能有效地進行協同,而且不依賴於無人飛行器的數量,即無人飛行器可以隨時退出或者加入集群,而不會影響控制系統的整體結構。

  •  通信網路設計
在多無人飛行器協同任務自組織系統中,無人飛行器作為通信網路節點,其空間的分布決定了網路的拓撲結構,而不同的網路拓撲結構,有著不同的通信性能。在一定的通信拓撲及性能下,根據所執行的任務分配通信資源,提高通信品質,是集群技術的難題之一。

  • 控制算法與通訊技術的耦合
多無人飛行器為了提高協同完成任務的效能,需要進行資訊交互。為了使得所交互的資訊,即時完整地進行傳輸,對於通信網路性能有一定的要求。

基於通信品質約束的協同控制方法,就是在當前的通信服務品質約束下,設計多無人飛行器協同控制方法,使得在這種控制方法下,多無人飛行器的運動既滿足任務需求,又可以使得多無人飛行器構造的通信網路性能,滿足資訊即時完整傳輸的需求,進而提高多無人飛行器協同完成任務的效能。

  • 任務規劃技術
為了實現多無人飛行器之間,有效的任務協同,同時保證控制結構,不依賴於無人飛行器的數量,構建多無人飛行器協同任務,自組織系統分布式體系結構,各無人飛行器的基本行為,和簡單任務,由無人飛行器自己自主完成,當面臨複雜任務和需要協作的任務時,當前無人飛行器,可以把任務資訊和資源需求,發佈到由各無人飛行器組成的網路上,各無人飛行器可以根據自身當前任務,和資源情況予以響應。

這樣,任意一個無人飛行器的退出或加入,都不會對系統組織結構帶來影響。

  • 路徑規劃技術
無人機在實際飛行中如果存在突發狀況,必須進行航跡重新規劃,以以規避威脅。為滿足協同工作時的時效性,重新規劃所採用的算法必須具有即時、高效的特點。

因此,可以根據蜂群算法領域搜索的特點,以參考航跡的突發威脅作為領蜂航跡,跟隨蜂僅在參考航跡的突發威脅段,進行領域搜索,而不需要對整條航跡進行搜索,由此可以快速獲得修正航跡段,並替換原突發威脅航跡段,整個飛行過程中,無人機根據獲得的威脅資訊,不斷修正參考航跡,直至達到目標節點。

详解:为什么集群无人机是趋势,以及,它的关键技术是什么?(上)

  • 編隊控制技術
在數學上,保持一定空間距離的無人機集群,可以看作一個高階群系統時變編隊問題,其控制問題很有挑戰性,且通訊時延的存在,又為編隊分析增加了難度。

 那麼,無人機集群技術,在軍事上和民用上都是如何落地的?下篇文章,作者將會來談談這個問題,請繼續關注。




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