3S Market「全球智慧科技應用」市場資訊網: ．詳解：為什麼集群無人機是趨勢，以及，它的關鍵技術是什麼？（下）

Intel's 500 Drone Light Show | Intel

來源：leiphone作者：知情人士

按：作者蕭殷，泊松技術聯合創始人，關注無人系統自主、自治技術與人工智慧。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，上篇可閱讀《詳解：為什麼集群無人機是趨勢，以及，它的關鍵技術是什麼？（上）》，本文為下篇。

| 軍事需求引領無人機集群技術

正如無人機的誕生，首先源於戰場上的軍事需求，無人機集群的概念，也是從國防領域率先開始理論研究和實踐驗證。為什麼要採用集群方式運用無人機，這會帶來哪些好處，這個問題看似簡單，我們自古以來就知道：雙拳難敵四手、好漢架不住群狼，打架還是要打群架，但是要在理論上解，釋這個問題也是有一定難度。

有趣的是今年流行的兩個科幻電影《星際迷航3》《獨立日2》以及英劇《黑鏡》，不約而同的展現了無人機集群作戰概念，和作戰樣式。

美國國防智庫曾經在《戰場機器人時代》的報告裡，試圖從理論上對此加以證明。

在戰爭理論中，有一個基礎性理論Lanchester定律。戰鬥力=參戰單位總數×單位戰鬥效率，以m(t)、n(t)表示在戰鬥開始後t時刻藍方、紅方在戰鬥中尚存的作戰單位數，可用下列微分方程組，來描述戰鬥過程中，雙方兵力隨時間的損耗關係：

式中α、β分別為藍方、紅方在單位時間內每一戰鬥單位，毀傷對方戰鬥單位的數目。假設交戰開始時刻藍方、紅方的初始戰鬥單位數為m(0)=M,n(0)=N，從上述微分方程組可知，在交戰過程中，雙方戰鬥單位數符合下列狀態方程：

α[M- m(t)]=β[N- n(t)]

當交戰雙方的初始戰鬥單位數，與毀傷率系數之間，滿足αM=βN時,m(t)與n(t)同時趨於零，戰鬥不分勝負。當αM<βN時，藍方將首先被消滅。交戰一方的有效戰鬥力，正比於其戰鬥單位數的平方，與每一戰鬥單位平均戰鬥力（平均毀傷率系數）的乘積，如果藍方武器系統的單個戰鬥單位的平均效能為紅方的4倍，則紅方在數量上集中2倍於藍方的兵力，就可抵消藍方武器在品質上的優勢。

根據Lanchester平方率，作戰單元數量是比單元作戰能力，更重要的戰爭勝負決定因素，無人機集群能夠實現，對敵優勢戰機更大的勝率。將原本造價高昂的多任務系統，分解為若干低成本的小規模作戰平台，可以比傳統武器系統，更具成本效益的方式挫敗對手。

另外一個依據事關武器的成本，我們知道戰爭本質上跟做生意一樣，需要考慮成本和費效比。上世紀末，Norm Augustine根據對數十年來戰鬥機價格的統計（扣除通貨膨脹因素），得出一個Augustine定律，即飛機的單價是指數成長的。

如下圖，同時國防預算通常是線性成長的，所以一個直接的結果就是各國空軍所擁有的的飛機數量越來越少。極端的，如果這一定律繼續有效，那麼簡單計算即可得到一個奇葩的結果：到2054年，美國軍隊只能擁有一架飛機，於是只能在每周內給空軍用三天半，給海軍用三天半，至於海軍陸戰隊，只能等閏年的時候，在多出來的那天開出來遛遛。

所以，未來軍隊對飛行器的需求，一定是海量無人機的集群，就像二戰時期倫敦上空的鷹和東京上空的B29機群一樣。

2016年5月，美國空軍正式提出《2016—2036年小型無人機系統飛行規劃》，希望構建橫跨航空、太空、網空三大作戰疆域的小型無人機系統，並在2036年實現無人機系統集群作戰。

基於無人自主技術，美軍提出了利用微小型無人機集群作戰的模式，以降低作戰成本，提升作戰行動的靈活性。典型項目如DARPA的「小精靈」無人機，計劃研制一種部分可回收的偵察和電子戰無人機集群，從敵方防禦範圍外的大型飛機（轟炸機、運輸機、戰鬥機等平台）上投放，利用無線網路，實現通信與協同，透過影響導彈防禦、通信與內部安全，甚至利用電腦病毒襲擊敵方數據網路等方式壓制敵方。

美國海軍研製出，一種可用於集群作戰的「蟬」微型無人機，並進行了飛行試驗。試驗中，該微型無人機在17.5千米的高空釋放，滑翔速度約74千米/小時，飛行約17.7千米後在距目標不到4.6米的地點降落，其攜帶的傳感器成功傳回溫度、大氣壓強與濕度等數據。

相比其他無人飛行器，「蟬」微型無人機具有堅固耐用、尺寸小、成本低、結構簡單、噪聲小等特點，可配備多種輕型傳感器，執行多種任務。美國海軍希望未來可實現，在25分鐘內投放成千上萬架「蟬」微型無人機，覆蓋4800平方千米的區域。

此外，美國海軍還在「低成本無人機群技術」（LOCUST）項目下開展了相關技術研究，利用小型筒式發射無人機，組成無人機群壓制對手。

相比於功能複雜全面的某一單機作戰平台，無人機集群在作戰時具備以下優勢：

1、功能分布化：將單個完備作戰平台所具備的各項功能如偵察監視、電子干擾、打擊與評估等能力「化整為零」，分散到大量低成本、功能單一的作戰平台中，透過大量異構、異型的個體，來實現原本複雜的系統功能，系統的倍增效益，將使無人機集群具備，遠超單一平台的作戰能力。

2、體系生存率：無人機集群具有「無中心」和「自主協同」的特性，集群中的個體並不依賴於某個實際存在的、特定的節點來運行。在對抗過程中，當部分個體失去作戰能力時，整個無人機集群仍然具有一定的完整性，仍可繼續執行作戰任務。

3、效費交換比：功能單一的無人機平台成本較低，在進行作戰任務時，敵方應對大量的無人機個體，需要消耗數十倍，甚至上百倍的成本來進行防禦，這將在戰爭中為我方帶來顯著的成本優勢。

| 民用無人機集群有望成為市場熱點

無人機集群在軍事應用中的「打群架」優勢，同樣可以運用到民用，尤其是行業應用無人機領域，當下火爆的無人機物流快遞就涉及到機群的應用，在如對岸中國春節和雙十一，這種發貨高峰期，一定區域內的無人機在避開同類障礙時，就需要相互協作。

還有Kumar提到的用無人機，繪製整個長城地圖的例子，顯然是單一的無人機無法做到的。事實上，無人機集群對大塊區域進行快速協同地理空間資訊採集的工作，是軍用ISR任務和民用遙感及災害應急、農林普查共同面臨的技術問題。

快遞物流

互聯網熱潮帶來的電子商務發展的繁榮，驅動著無人系統技術的發展，Amazon的Kiva倉儲搬運機器人（AGV）和快遞無人機也引起業內注意，今年618京東也完成了他的首次快遞無人機試飛。

未來無人機技術廣泛營運之後，必然帶來複雜的管理問題，在實際運用場景中，面對百萬訂單量的併發，調配算法能夠支持多少機器人和無人機實現相互避讓，不同機器人和無人機之間，是否能夠協作流暢，都需要集群技術的支撐。

農業

隨著農業無人機應用的廣泛開展，業界的目光已經從單純的無人機農藥噴灑逐漸擴展到無人機農業信息採集、農業光譜數據分析等領域，為了彌補單機作業的缺陷，無人機集群技術也開始得到農業領域的關注。

SAGA項目，也就是農業應用的機器人集群（Swarm Robotics for Agricultural Applications），將幫助農民繪製農田中的雜草地圖，從而提高作物產量。該系統是一個由ECHORD ++資助的研究項目，由一組多架無人機互相配合，協同監測一塊農田區域，並透過機載機器視覺設備，精確找到作物中的雜草，並繪製雜草地圖。

無人機集群中的無人機互相交互資訊，充分利用各自獲取的資訊，優先在雜草最密集的區域作業，算法類似自然界中，蜜蜂群盡可能在花朵最密集的區域採蜜，這種路徑優化技術有助於提高作業效率。

SAGA項目協調人，義大利國家研究委員會認知科學和技術研究所研究員Vito Trianni博士說：

「將群體機器人應用於精確農業，代表了一種技術模式的轉變，具有巨大的潛在影響。隨著機器人硬體的價格下降，機器人的小型化和能力增加，我們很快將能夠在實現自動化精準農業解決方案。這需要單個無人機之間能夠作為一個整體協調工作，以便有效地覆蓋大面積區域並進行資訊交互與協同作業。無人機集群技術，為這樣的需求提供瞭解決方案。微型機器人避免土壤壓實，只在作物生長的間隙行動避免壓壞作物，採用機械而不是化學方式進行除草，無人機和地面機器人集群，可以精確的適應不同的農場規模。SAGA項目提出了精確農業的解決方案，包括新穎的硬體與精確的個體控制與群體智能技術。」

應急救援

當自然災害發生時，首要的任務就是建立臨時通信網、查看災情，然後再出動直升機運輸物資和人員，除了昂貴的衛星通信手段，無人機集群是解決救災通信問題的最佳選擇。

洛桑聯邦理工學院的智能系統實驗室，曾經在其微型蜂群飛行器網路項目中，開發一套可以在災區，快速搭建通信網路的微型飛行機器人群。

這種機器人可以克服地形困擾，快速地佈置到災區，以自身為節點，在最短的時間內恢復災區的通信網路。無人機集群成本低、可消耗、部署簡便、使用靈活，為應急救援的通信保障，提供了一種靈活的解決方案。

無人機集群構建的通信網路，是一種典型的MESH網路，通常採用Ad hoc類協議，這也是一種起源於軍用戰場通信的無線自組網技術，可以在不停運動的多個節點之間，自動建立轉發路由，只要一個節點能夠連接到，網路中的任意一個其他節點，資訊就能最終傳到任意節點。

目前，動態無線自組網技術尚在高速發展中，已有部分商業設備應用在應急行業，未來成本進一步下降後，有望廣泛應用於災害救援。

遙感與對地觀測

與消費類無人機的航拍需求類似，在行業應用中，遙感與對地觀測，及地理資訊採集的需求一直廣受關注，無人機對幾乎所有存在地理資訊需求的行業，都有著成本、技術和便利性方面的優勢。在單無人機作業的情況下，大範圍的對地觀測，往往需要消耗很長時間，而引入無人機集群技術，則可以解決時間與效率難題。

本質上，集群技術使少量的人員，能夠控制大量無人機進行並行作業，對地觀測這種天然可並行的任務類型的作業效率與無人機數量線性正相關，因此極具吸引力。

無人機集群協調對地觀測的典型路徑如上圖所示，集群算法可以設定一個優化函數來協調各個無人機的任務路徑，尤其對於存在諸多不確定性的地面目標跟蹤之類的時變任務，集群技術可以發揮極大的優勢。

無人機燈光、煙花秀

無人機廠家、藝術家、遊樂園營運商和傳統的燈光秀團隊，都對無人機集群演出的前景，表現出極大的興趣。

上圖是去年10月，Intel的娛樂無人機業務部門，驗證了500加多旋翼飛機燈光秀表演的概念可行性。

迪斯尼公司申請了很多與無人機有關的專利，它將那些無人機稱作「Flixels」。它在專利文件中寫道，這些無人機可以按照預先設定好的路線飛行，並且按照設定好的程序發出LED光，從而在天空上「繪製」出不同的圖案。

以無人機集群為核心的燈光秀，可比傳統煙花更加經濟、高效和安全。

| 無人機集群技術團隊

多旋翼與固定翼

多旋翼無人機結構簡單、成本低廉、控制簡潔、可以空中懸停的特點，使其佔據了絕大部分消費類無人機市場，和相當部分行業無人機市場，但是續航時間短、速度慢的特點，又極大限制了其行業運用的拓展與之想法，固定翼無人機續航時間長、速度快、飛行距離遠、可攜帶更重的載荷，因此更受行業用戶的歡迎。

在無人機集群技術方面，由於固定翼無人機非靜穩態的特點，在集群編隊中的單機控制、集群協同、傳感與避障、起飛降落通道、機載射頻與通信組網等方面，均比「準靜態」的旋翼無人機複雜得多。

目前，國際的無人機集群技術的發展趨勢，為多旋翼和固定翼並重，燈光表演等局域應用，已多旋翼集群為主；對地觀測、農業和軍事等領域，已固定翼集群為主。

Intel

在今年年初的CES 2016上，Intel宣佈成功的試飛了100架多旋翼無人機的編隊，而本次500架無人機的燈光秀，用了10人左右團隊完成放飛。

Intel的算法能夠自動處理動畫製作流程，並規劃出創建空中圖案的最快路徑——完成這一切只需一張圖片、快速計算出所需的無人機數量，並確定無人機的放置地點。

在此之前，動畫師需要更長時間，手動完成這些計算。無人機自帶的燈光秀軟體，會在每次飛行之前進行完整的機隊檢查，並且能夠基於電池續航時間、GPS接收等因素為每次飛行，挑選最合適的無人機。

此外，整個 Shooting Star無人機集群可由一台電腦輕鬆控制。編隊飛行的規模，取決於所需的動畫效果，所使用的無人機數量，可由幾百架乃至更多。

Parrot

法國Parrot公司雖然在消費類多旋翼市場上，一直不抵大疆，但其產品和技術頗具特色，其實室內無人機編隊舞蹈靈巧活潑，是各大展會上的熱點。

Parrot多旋翼無人機集群規模不大，只在室內飛行。

深圳零度

深圳零度今年上市的掌上自拍機Dobby，整合了與Parrot類似的跳舞功能，利用向下的攝影機辨識地面二維碼，進行空間定位，執行預先設定好的舞蹈動作。

零度智控

此次集群表演，是第一次由中國自主創新的無人機，實現的室內無人值守飛行表演。參加此次室內無人機編隊飛行的8台無人機，均為零度智控PIONEER。

億航

在京東618全民購物狂歡節上，億航在北京上演一場無人機編隊表演，讓「618」飛上了天。由30架多旋翼無人機組成的集群，按照預先設定的路線，根據GPS定位坐標運動，至夜空中固定位置停留組成造型，按照預定設定的順序點亮LED，成為夜空中流動的霓虹燈。

SwarmX

新加坡初創公司SwarmX，以其的HiveMind無人機操作系統，切入集群市場，HiveMind操作系統允許用戶透過平板電腦、台式機或指揮中心管理無人機集群，同時提供數據儲存和成果可視化。

透過使用SwarmX的「基於目標的集群管理」，根據和機器學習算法，集群的指揮官可以指揮無人機監視哪些區域，軟體可以推算出如何有效地部署集群中的成員無人機。