淺析無人機“蜂群”技術(shù)的六大核心要素
2024-11-22 13:55:40??????點擊:
微型無人機在軍事上的應(yīng)用有著廣泛的前景。試想:千架無人機“蜂群”亮相,打造成一個集群作戰(zhàn)的智能蜂群,戰(zhàn)斗力就將以數(shù)量級提升。這樣的“蜂群”可以覆蓋廣泛的偵查監(jiān)控范圍,相互之間、與后方指揮控制中心之間高速互聯(lián),將大量個體融為一個無孔不入的作戰(zhàn)集群。部分無人機攜帶小體積爆炸物摧毀目標,可以實施打擊任務(wù)。
據(jù)媒體消息,近期中國電科集團電科院展開了陸空協(xié)同的無人機“蜂群”系統(tǒng),進行相關(guān)試飛工作和驗證試驗。可以有些人還不清楚這個無人機“蜂群”系統(tǒng)到底是個啥?實際上無人機“蜂群”是指一組具備部分自主能力的無人機在有/無人操作裝置輔助下,實現(xiàn)無人機間的實時數(shù)據(jù)通信、多機編隊、協(xié)同作戰(zhàn),并在操作員的指引下完成多種作戰(zhàn)任務(wù),包括戰(zhàn)場偵察、對地打擊、防空壓制、電子干擾、充當(dāng)誘餌、通信中繼等等。如同自然界的蜂群一樣,既有很大的數(shù)量同時在空中飛行,又有各自不同的分工。而本次試驗的“蜂群”無人機可以采用陸上發(fā)射、空中投射的方式,從公布的視頻畫面可以發(fā)現(xiàn),“蜂巢”無人機在地面是由48管發(fā)射裝置進行快速發(fā)射,能夠在很短時間內(nèi)將大量無人機發(fā)射到空中;在空中則是由直升機進行懸停投放,在展開的降落傘減速穩(wěn)定作用下,無人機調(diào)整好姿態(tài)進行飛行。據(jù)悉,這款無人機系統(tǒng)一次可發(fā)射200架無人機,形成龐大的“蜂群”,使打擊效果倍增。而從整個流程中,也能看出本次試驗基本都是基于實戰(zhàn)化。這也意味著一旦我國首個實用化的無人機“蜂群”通過測試,那么恐怕距離服役也不會太遠。
而一直對無人機“蜂群”技術(shù)高度重視的美國人,在得知這個消息后,也發(fā)出了不一般的評價。據(jù)美國《戰(zhàn)爭地帶》發(fā)表文章稱,從公布的視頻中可以看到,無人機群代表了中國軍隊現(xiàn)在具有的實際作戰(zhàn)能力,整個系統(tǒng),尤其是地面移動發(fā)射器,看起來確實非常成熟,所有這一切都在強調(diào),即使中國現(xiàn)在可能沒有無人機集群作戰(zhàn)的能力,但是有個不可忽略的事實是,這些“蜂群”無人機已經(jīng)越來越接近于實際部署,并且從地面和空中多個平臺部署的集群,可以從多個方向接近目標區(qū)域,這將使整個系統(tǒng)具有極大的靈活性和彈性。而更讓他們感到擔(dān)憂的是,無人機集群天生就很難防御,其最明顯的應(yīng)用之一就是使敵方的防空系統(tǒng)失去作用,美媒認為,即使是用當(dāng)今最好的短程防空系統(tǒng),也很難抵御“蜂群”無人機這種飽和性的攻擊。簡單來說,就是依據(jù)現(xiàn)有的手段,根本是攔截不了的。從美國人的評價,我們也可以看出這種無人機“蜂群”技術(shù)的強大之處。
早在2016年,美國軍方進行了F/A-18“超級大黃蜂”戰(zhàn)斗攻擊機釋放無人機蜂群的測試。3架F/A-18戰(zhàn)斗攻擊機放出130架“山鶉”微型無人機,組成一個協(xié)調(diào)的集群,集體安全飛到指定目標位置。這只是一個短暫的試驗,標志了美國已具備了控制蜂群的能力。無人機“蜂群”戰(zhàn)術(shù)看似簡單,但實際涉及多種高科技“人工智能”先進技術(shù),在這個智能化的集成系統(tǒng)當(dāng)中有六大核心技術(shù):
其一:集群控制算法
多無人機系統(tǒng)要實現(xiàn)相互之間的協(xié)同就必須確定無人機之間邏輯和物理上的信息關(guān)系和控制關(guān)系,針對這些問題而進行的體系結(jié)構(gòu)研究,可以將多無人機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制有機的結(jié)合起來,保證多無人機系統(tǒng)中信息流和控制流的暢通,為無人機之間的交互提供框架。集群控制算法不僅要保證多無人機之間有效的進行協(xié)同,而且不依賴于無人機的數(shù)量,即無人機可以隨時退出或者加入集群,而不影響控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。
其二:網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計
在多無人機協(xié)同任務(wù)自組織系統(tǒng)中,無人機作為通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。其空間的布局決定了網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu),而不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)有著不同的通信性能。在一定的通信拓撲及性能條件下,根據(jù)所執(zhí)行的任務(wù)分配通信資源,提高通信質(zhì)量,是集群技術(shù)的難題之一。
其三:控制算法與通信技術(shù)的耦合
多無人機為了提高協(xié)同完成任務(wù)的效率,需要進行信息交互。為了促使所交互的信息及時完整地進行傳輸,對于通信網(wǎng)絡(luò)性能就有了一定的要求。基于通信質(zhì)量約束的協(xié)同控制方法,就是在當(dāng)前的通信服務(wù)質(zhì)量約束條件下,設(shè)計多無人機協(xié)同控制方法,并在這種控制方法條件下,使多無人機的運動既滿足任務(wù)需求,又可以使多無人機構(gòu)造的通信網(wǎng)絡(luò)性能,滿足通信及時完整傳輸?shù)男枨螅M而提高多無人機協(xié)同完成任務(wù)的效能。
其四:任務(wù)規(guī)劃技術(shù)
為了實現(xiàn)無人機之間有效的任務(wù)協(xié)同,同時保證控制結(jié)構(gòu)不依賴于無人機的數(shù)量,構(gòu)建多無人機協(xié)同任務(wù)自組織系統(tǒng)分布式體系結(jié)構(gòu)。各無人機的基本行為和簡單任務(wù)由無人機自主完成,當(dāng)面臨復(fù)雜任務(wù)和需要協(xié)同任務(wù)時,當(dāng)前無人機可以把任務(wù)信息和資源需求發(fā)布到由各無人機組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上,其他無人機則根據(jù)各自當(dāng)前的任務(wù)和資源情況予以響應(yīng)。這樣任意一架無人機的退出或者加入,都不會對系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)帶來影響。
其五:路徑規(guī)劃技術(shù)
無人機在實際飛行中如果發(fā)生突發(fā)狀況,必須進行航跡重新規(guī)劃,以規(guī)避危險和變換需求。為滿足協(xié)同工作的實效性,重新規(guī)劃所采用的算法必須具有實時、高效的特點。因此可以根據(jù)蜂群算法領(lǐng)域搜索的特點,以參考航跡的突發(fā)威脅作為“領(lǐng)航峰”航跡,“領(lǐng)航蜂”僅在參考航跡的突發(fā)威脅段進行領(lǐng)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,并替換原突發(fā)威脅航跡段。在整個飛行過程中,無人機可以根據(jù)獲得的威脅信息,不斷修正參考航跡,直至抵達目標節(jié)點。
其六:編隊控制技術(shù)
在模型算法上,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(tǒng)識別與時變編隊問題。其控制問題具有挑戰(zhàn)性,集通信時延的存在又為編隊分析增加了難度。
總結(jié):無人機群技術(shù),正處于快速發(fā)展階段,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,無人機自主智能的不斷提高,無人機集群必將成為未來無人機發(fā)展的主要趨勢之一。由此演化而來的無人機“蜂群”作戰(zhàn),已經(jīng)成為一種全新概念的作戰(zhàn)模式,對未來戰(zhàn)爭的影響也將是顛覆式的。
據(jù)媒體消息,近期中國電科集團電科院展開了陸空協(xié)同的無人機“蜂群”系統(tǒng),進行相關(guān)試飛工作和驗證試驗。可以有些人還不清楚這個無人機“蜂群”系統(tǒng)到底是個啥?實際上無人機“蜂群”是指一組具備部分自主能力的無人機在有/無人操作裝置輔助下,實現(xiàn)無人機間的實時數(shù)據(jù)通信、多機編隊、協(xié)同作戰(zhàn),并在操作員的指引下完成多種作戰(zhàn)任務(wù),包括戰(zhàn)場偵察、對地打擊、防空壓制、電子干擾、充當(dāng)誘餌、通信中繼等等。如同自然界的蜂群一樣,既有很大的數(shù)量同時在空中飛行,又有各自不同的分工。而本次試驗的“蜂群”無人機可以采用陸上發(fā)射、空中投射的方式,從公布的視頻畫面可以發(fā)現(xiàn),“蜂巢”無人機在地面是由48管發(fā)射裝置進行快速發(fā)射,能夠在很短時間內(nèi)將大量無人機發(fā)射到空中;在空中則是由直升機進行懸停投放,在展開的降落傘減速穩(wěn)定作用下,無人機調(diào)整好姿態(tài)進行飛行。據(jù)悉,這款無人機系統(tǒng)一次可發(fā)射200架無人機,形成龐大的“蜂群”,使打擊效果倍增。而從整個流程中,也能看出本次試驗基本都是基于實戰(zhàn)化。這也意味著一旦我國首個實用化的無人機“蜂群”通過測試,那么恐怕距離服役也不會太遠。
而一直對無人機“蜂群”技術(shù)高度重視的美國人,在得知這個消息后,也發(fā)出了不一般的評價。據(jù)美國《戰(zhàn)爭地帶》發(fā)表文章稱,從公布的視頻中可以看到,無人機群代表了中國軍隊現(xiàn)在具有的實際作戰(zhàn)能力,整個系統(tǒng),尤其是地面移動發(fā)射器,看起來確實非常成熟,所有這一切都在強調(diào),即使中國現(xiàn)在可能沒有無人機集群作戰(zhàn)的能力,但是有個不可忽略的事實是,這些“蜂群”無人機已經(jīng)越來越接近于實際部署,并且從地面和空中多個平臺部署的集群,可以從多個方向接近目標區(qū)域,這將使整個系統(tǒng)具有極大的靈活性和彈性。而更讓他們感到擔(dān)憂的是,無人機集群天生就很難防御,其最明顯的應(yīng)用之一就是使敵方的防空系統(tǒng)失去作用,美媒認為,即使是用當(dāng)今最好的短程防空系統(tǒng),也很難抵御“蜂群”無人機這種飽和性的攻擊。簡單來說,就是依據(jù)現(xiàn)有的手段,根本是攔截不了的。從美國人的評價,我們也可以看出這種無人機“蜂群”技術(shù)的強大之處。
早在2016年,美國軍方進行了F/A-18“超級大黃蜂”戰(zhàn)斗攻擊機釋放無人機蜂群的測試。3架F/A-18戰(zhàn)斗攻擊機放出130架“山鶉”微型無人機,組成一個協(xié)調(diào)的集群,集體安全飛到指定目標位置。這只是一個短暫的試驗,標志了美國已具備了控制蜂群的能力。無人機“蜂群”戰(zhàn)術(shù)看似簡單,但實際涉及多種高科技“人工智能”先進技術(shù),在這個智能化的集成系統(tǒng)當(dāng)中有六大核心技術(shù):
其一:集群控制算法
多無人機系統(tǒng)要實現(xiàn)相互之間的協(xié)同就必須確定無人機之間邏輯和物理上的信息關(guān)系和控制關(guān)系,針對這些問題而進行的體系結(jié)構(gòu)研究,可以將多無人機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制有機的結(jié)合起來,保證多無人機系統(tǒng)中信息流和控制流的暢通,為無人機之間的交互提供框架。集群控制算法不僅要保證多無人機之間有效的進行協(xié)同,而且不依賴于無人機的數(shù)量,即無人機可以隨時退出或者加入集群,而不影響控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。
其二:網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計
在多無人機協(xié)同任務(wù)自組織系統(tǒng)中,無人機作為通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。其空間的布局決定了網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu),而不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)有著不同的通信性能。在一定的通信拓撲及性能條件下,根據(jù)所執(zhí)行的任務(wù)分配通信資源,提高通信質(zhì)量,是集群技術(shù)的難題之一。
其三:控制算法與通信技術(shù)的耦合
多無人機為了提高協(xié)同完成任務(wù)的效率,需要進行信息交互。為了促使所交互的信息及時完整地進行傳輸,對于通信網(wǎng)絡(luò)性能就有了一定的要求。基于通信質(zhì)量約束的協(xié)同控制方法,就是在當(dāng)前的通信服務(wù)質(zhì)量約束條件下,設(shè)計多無人機協(xié)同控制方法,并在這種控制方法條件下,使多無人機的運動既滿足任務(wù)需求,又可以使多無人機構(gòu)造的通信網(wǎng)絡(luò)性能,滿足通信及時完整傳輸?shù)男枨螅M而提高多無人機協(xié)同完成任務(wù)的效能。
其四:任務(wù)規(guī)劃技術(shù)
為了實現(xiàn)無人機之間有效的任務(wù)協(xié)同,同時保證控制結(jié)構(gòu)不依賴于無人機的數(shù)量,構(gòu)建多無人機協(xié)同任務(wù)自組織系統(tǒng)分布式體系結(jié)構(gòu)。各無人機的基本行為和簡單任務(wù)由無人機自主完成,當(dāng)面臨復(fù)雜任務(wù)和需要協(xié)同任務(wù)時,當(dāng)前無人機可以把任務(wù)信息和資源需求發(fā)布到由各無人機組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上,其他無人機則根據(jù)各自當(dāng)前的任務(wù)和資源情況予以響應(yīng)。這樣任意一架無人機的退出或者加入,都不會對系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)帶來影響。
其五:路徑規(guī)劃技術(shù)
無人機在實際飛行中如果發(fā)生突發(fā)狀況,必須進行航跡重新規(guī)劃,以規(guī)避危險和變換需求。為滿足協(xié)同工作的實效性,重新規(guī)劃所采用的算法必須具有實時、高效的特點。因此可以根據(jù)蜂群算法領(lǐng)域搜索的特點,以參考航跡的突發(fā)威脅作為“領(lǐng)航峰”航跡,“領(lǐng)航蜂”僅在參考航跡的突發(fā)威脅段進行領(lǐng)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,并替換原突發(fā)威脅航跡段。在整個飛行過程中,無人機可以根據(jù)獲得的威脅信息,不斷修正參考航跡,直至抵達目標節(jié)點。
其六:編隊控制技術(shù)
在模型算法上,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(tǒng)識別與時變編隊問題。其控制問題具有挑戰(zhàn)性,集通信時延的存在又為編隊分析增加了難度。
總結(jié):無人機群技術(shù),正處于快速發(fā)展階段,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,無人機自主智能的不斷提高,無人機集群必將成為未來無人機發(fā)展的主要趨勢之一。由此演化而來的無人機“蜂群”作戰(zhàn),已經(jīng)成為一種全新概念的作戰(zhàn)模式,對未來戰(zhàn)爭的影響也將是顛覆式的。
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