吳超宇

摘要：近些年來，隨著無人機(jī)的與傳感器的發(fā)展，無人機(jī)遙感取得了迅猛的發(fā)展與廣泛的應(yīng)用， 已經(jīng)成為新的研究熱點(diǎn)。但是由于無人機(jī)自身的局限，限制了傳感器的尺寸與性能。因此可將無人機(jī)集群技術(shù)應(yīng)用于無人機(jī)遙感中，通過集群行為提高無人機(jī)遙感的觀測能力。本文詳細(xì)闡述了無人機(jī)集群的發(fā)展現(xiàn)狀，指明了無人機(jī)集群遙感觀測的關(guān)鍵問題：無人機(jī)集群遙感觀測任務(wù)規(guī)劃，無人機(jī)集群控制、無人機(jī)自組網(wǎng)，遙感數(shù)據(jù)處理，并對這些問題的研究方法及現(xiàn)有問題進(jìn)行了分析。最后，展望了無人機(jī)集群遙感觀測的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)遙感;集群;規(guī)劃;控制

中圖分類號：TN924+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）04-0205-03

1 無人機(jī)遙感觀測

無人機(jī)的定義為“不載乘任何操作人員，利用空氣動力進(jìn)行飛行，能夠自主或遠(yuǎn)程領(lǐng)航控制，可擴(kuò)展和回收并可攜帶有效載荷的無人飛行平臺”[1]。

無人機(jī)遙感觀測指將無人機(jī)作為平臺，攜帶遙感觀測載荷，如相機(jī)，雷達(dá)，激光成像儀等，通過遙感信息回傳技術(shù)獲取高分辨率的觀測數(shù)據(jù)[2]。傳統(tǒng)遙感觀測主要通過衛(wèi)星或是載人飛機(jī)完成，相對于衛(wèi)星而言，無人機(jī)遙感觀測避免受云層干擾的現(xiàn)象，相對于有人機(jī)而言，無人機(jī)遙感觀測可以克服有人機(jī)對起降地點(diǎn)，天氣等要求高的缺點(diǎn)，輕便靈活，因而具有更為廣闊的應(yīng)用前景。

無人機(jī)遙感可分為無人機(jī)系統(tǒng)和遙感傳感器兩部分。無人機(jī)系統(tǒng)主要包括無人機(jī)機(jī)體，飛控系統(tǒng)和地面站三部分。機(jī)體部分可搭載不同的載荷以完成遙感任務(wù)。飛控系統(tǒng)通過對無人機(jī)自身數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，與地面進(jìn)行互動，控制無人機(jī)完成給定的飛行任務(wù)。地面站主要負(fù)責(zé)對無人機(jī)飛行狀態(tài)的監(jiān)控和控制命令的下達(dá)。遙感傳感器主要為無人機(jī)攜帶的各種光電載荷，根據(jù)觀測任務(wù)搭配不同的光電載荷。

2 無人機(jī)集群

無人機(jī)集群是目前無人機(jī)發(fā)展的一個重要方向。該方法的產(chǎn)生來自于對自然界生物集群現(xiàn)象的研究。在自然界我們可以看到大量生物集群的現(xiàn)象，如魚群，蟻群，蜂群，這些生物集群都存在一定的共同點(diǎn)，即個體行為簡單，通過一定簡單的群體規(guī)律形成群體行為，完成一些復(fù)雜的任務(wù)。如蟻群中，每個螞蟻的能力非常弱，行為也非常簡單，但是通過信息素的揮發(fā)，群體能夠?qū)ふ业降竭_(dá)食物的最短距離，從而完成覓食行為[3]。對無人機(jī)來說，當(dāng)單個無人機(jī)能力有限，難以完成復(fù)雜的任務(wù)時，可以通過一定的規(guī)則對無人機(jī)進(jìn)行控制，使其按照一定約束條件的智能化的無人機(jī)編成群組，通過生物仿真計(jì)算模擬生物集群行為策略，按照去中心化方式實(shí)施管理，實(shí)現(xiàn)高度智能自主協(xié)同作戰(zhàn)活動。

3 無人機(jī)集群遙感觀測

近些年來無人機(jī)平臺的發(fā)展取得了長足的進(jìn)步，各種性能更為優(yōu)異的無人機(jī)被研制出來，遙感載荷也不斷向著精度高、靈敏度高的方向發(fā)展。但是，無人機(jī)自身尺寸與載重量對遙感載荷作出了限制。由于無人機(jī)的小型化，輕便化，導(dǎo)致無人能攜帶的載荷質(zhì)量小，體積小，這對無人攜帶的遙感載荷提出了一定的尺寸要求，無人機(jī)難以攜帶一些體積較大，質(zhì)量較重的遙感載荷，這就限制了無人機(jī)遙感的觀測精度以及觀測范圍[4]?；诖?，提出無人機(jī)集群遙感觀測的想法，通過多架無人機(jī)攜帶相同的遙感載荷來增大無人機(jī)遙感的觀測范圍，通過無人機(jī)攜帶不同遙感載荷相互配合來提高無人機(jī)遙感的觀測精度。

4 無人機(jī)集群遙感觀測關(guān)鍵技術(shù)

4.1 無人機(jī)集群遙感觀測任務(wù)規(guī)劃

相比于單無人機(jī)遙感觀測預(yù)規(guī)劃來說，無人機(jī)集群遙感觀測預(yù)規(guī)劃從任務(wù)的深度與廣度，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)量都有了較大增長，無人機(jī)怎么飛？分散還是集中？觀測哪些區(qū)域？路徑如何？這些問題都需要在無人機(jī)集群在執(zhí)行遙感觀測任務(wù)之前規(guī)劃完成。任務(wù)規(guī)劃是整個無人機(jī)集群遙感觀測必須解決的問題，可分為任務(wù)分配和航跡規(guī)劃兩步：

4.1.1 任務(wù)分配

任務(wù)分配是無人機(jī)集群遙感觀測時一個必要決策。對無人機(jī)集群進(jìn)行任務(wù)分配時，需要對無人機(jī)數(shù)量、性能、遙感載荷類型及觀測距離精度、任務(wù)類型、天氣以及地形進(jìn)行分析。因此，無人機(jī)集群遙感觀測任務(wù)分配問題可視為多約束條件下的最優(yōu)化問題[5]。合理的建立任務(wù)分配模型，構(gòu)造優(yōu)化函數(shù)與約束條件，選取合理的算法求解是該問題的一般解決方法。目前有不少論文對無人機(jī)集群遙感觀測任務(wù)分配進(jìn)行了求解，求解方法主要分為3類，群智能算法，數(shù)學(xué)規(guī)劃算法和協(xié)商法。

4.1.2 航跡規(guī)劃

對單無人機(jī)遙感觀測，航跡規(guī)劃是其執(zhí)行任務(wù)必須完成的一步，同樣，對于無人機(jī)集群遙感觀測，航跡規(guī)劃仍是執(zhí)行任務(wù)的關(guān)鍵問題，而且相對于單無人機(jī)航跡規(guī)劃，無人機(jī)集群航跡規(guī)劃還需要考慮各個無人機(jī)之間避撞，所以該問題更為復(fù)雜[6]。無人機(jī)集群航跡規(guī)劃的算法同樣可以分為三類：一種是通過單無人機(jī)航跡規(guī)劃演化而來的算法，一種是通過路徑優(yōu)化方法進(jìn)行的無人機(jī)集群航跡規(guī)劃，第三種是群智能算法。

4.2 無人機(jī)冗余容錯集群控制

在大型系統(tǒng)中，每個組件都被設(shè)計(jì)來完成一個特定的功能，并且只有當(dāng)所有的組件都正常運(yùn)行時才能產(chǎn)生令人滿意的效果。因此，單個組件故障通常都會影響系統(tǒng)的整體性能，產(chǎn)生不可控的后果甚至無法運(yùn)行。為了避免發(fā)生故障造成的損傷及其帶來的工程應(yīng)用損失，要求系統(tǒng)具有對故障自動處理的能力，即容錯能力?？刂葡到y(tǒng)對故障的方法有：（1）容錯控制設(shè)計(jì);（2）乘性故障基礎(chǔ)上的參數(shù)估計(jì)技術(shù)鑒定;（3）利用函數(shù)逼近法設(shè)計(jì)控制律和自適應(yīng)律;（4）利用殘差技術(shù)的故障檢測;（5）其它的設(shè)計(jì)和分析技術(shù)。如圖1即是冗余容錯系統(tǒng)的基本體系。

集群控制也是無人機(jī)集群遙感觀測必須解決的問題。當(dāng)多架無人機(jī)同時飛行時，如何控制整個群體是一個非常復(fù)雜的問題，主要有三種控制方式：（1）對每一架無人機(jī)單獨(dú)進(jìn)行控制;（2）無人機(jī)形成編隊(duì)后對編隊(duì)進(jìn)行控制;（3）仿照生物行為的控制，即設(shè)置控制器，使得無人機(jī)自行確定自身行為。

無人機(jī)集群形成編隊(duì)后對編隊(duì)進(jìn)行控制是一種相對簡單的控制方法。對于無人機(jī)編隊(duì)控制主要考慮三大過程，即無人機(jī)編隊(duì)集結(jié)，隊(duì)形保持，編隊(duì)重構(gòu)三個過程[7]。編隊(duì)集結(jié)是無人機(jī)集群由雜亂向著有序發(fā)展的過程，在編隊(duì)集結(jié)過程中主要考慮外部避障，無人機(jī)內(nèi)部之間避障，無人機(jī)自身性能限制，無人機(jī)之間的通信以及效率等問題。隊(duì)形保持是無人機(jī)集群執(zhí)行任務(wù)時的狀態(tài)，無人機(jī)以既定順序排列，可提高無人機(jī)集群遙感觀測的效率。隊(duì)形保持主要需要考慮外部避撞，編隊(duì)內(nèi)通信保障，無人機(jī)之間氣動影響等問題。編隊(duì)重構(gòu)是無人機(jī)集群狀態(tài)的變換過程，一般情況下，無人機(jī)集群很難以一種狀態(tài)完成整個任務(wù)，需要改變隊(duì)形以適應(yīng)不同的遙感觀測任務(wù)，或是編隊(duì)中存在無人機(jī)損失的情況下，都需要進(jìn)行編隊(duì)重構(gòu)。這個過程中考慮的因素與編隊(duì)集結(jié)過程中相同。無人機(jī)集群編隊(duì)控制主要的方法有領(lǐng)航-跟隨者法[8]，基于一致性理論方法，人工勢場法[9]等。領(lǐng)航-跟隨者法是編隊(duì)控制最常用的方法，而且經(jīng)常與其他方法相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)無人機(jī)集群編隊(duì)控制。該方法在無人機(jī)群體中選取一架無人機(jī)作為領(lǐng)航者，給定預(yù)設(shè)航跡，跟隨無人機(jī)需要獲取領(lǐng)航無人機(jī)的狀態(tài)參數(shù)，調(diào)整姿態(tài)。這種控制方式大大減少了無人機(jī)控制的工作量。對無人機(jī)集群遙感觀測來講，運(yùn)用這種方法進(jìn)行集群的控制較為可靠。

4.3 無人機(jī)自組網(wǎng)

無人機(jī)自組網(wǎng)即無人機(jī)之間的通信不依賴與地面控制站或衛(wèi)星等基礎(chǔ)通訊設(shè)備，而是將無人機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)之間能夠相互轉(zhuǎn)發(fā)控制指令，交換感知態(tài)勢，健康情況等數(shù)據(jù)，自動連接建立起一個無線移動網(wǎng)絡(luò)[10]。無人機(jī)集群飛行過程中，無人機(jī)需要實(shí)時與地面保持通信，同時無人機(jī)為了避免撞擊，或者保持編隊(duì)，需要對獲取周圍無人機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)以及領(lǐng)航無人機(jī)的信息。建立無人機(jī)自組網(wǎng)是保證無人機(jī)集群能夠正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

無人機(jī)自組網(wǎng)的應(yīng)用首先可以提高無人機(jī)集群的擴(kuò)展性。如果無人機(jī)之間不能形成通信網(wǎng)絡(luò)，無人機(jī)集群的控制方式只能是每架無人機(jī)單獨(dú)控制，這種方法只能應(yīng)用于無人機(jī)數(shù)量較少的集群，當(dāng)無人機(jī)數(shù)量較大時，該方法難以保證有足夠的人力物力來支撐。通過無人機(jī)自組網(wǎng)，無人機(jī)之間能夠交換信息，可通過無人機(jī)編隊(duì)或是生物集群控制方法實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的控制。同時無人機(jī)自組網(wǎng)擴(kuò)大了無人機(jī)集群遙感觀測范圍。若無人機(jī)僅能與地面設(shè)施建立通信鏈路，無人機(jī)的使用范圍被局限在地面設(shè)施的覆蓋范圍內(nèi)，而通過無人機(jī)自組網(wǎng)，無人機(jī)集群中可有部分無人機(jī)作為通信中繼無人機(jī)，其他無人機(jī)可通過與中繼無人機(jī)保持通信來獲取信息[11]。無人機(jī)自組網(wǎng)還可以避免干擾提高通信可靠性。傳統(tǒng)通信方式下，地面基礎(chǔ)設(shè)施的信號容易被山峰，建筑物等障礙物影響[12]，而無人機(jī)自組網(wǎng)具有自愈性，可以通過與其他無人機(jī)通信來解決部分節(jié)點(diǎn)通信受阻的問題。

無人機(jī)自組網(wǎng)針對節(jié)點(diǎn)的快速移動的特性，對組網(wǎng)的MAC協(xié)議，路由協(xié)議等均造成了較大難度。目前，針對無人機(jī)自組網(wǎng)MAC協(xié)議，有研究提出了基于競爭類的MAC協(xié)議和基于調(diào)度類的MAC協(xié)議兩類。無人機(jī)自組網(wǎng)路由協(xié)議主要包括五類：靜態(tài)路由，先應(yīng)路由，反應(yīng)路由，混合路由和基于地理位置的路由。各種路由協(xié)議各有優(yōu)勢，需要依靠使用環(huán)境進(jìn)行選擇并加以改進(jìn)研究。但是目前MAC協(xié)議和路由協(xié)議的設(shè)計(jì)方法并不完善，不能完全解決無人機(jī)高速移動導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定問題[13]。

5 結(jié)語

作為未來無人機(jī)的一個重要發(fā)展方向，無人機(jī)集群必將擁有廣闊的應(yīng)用前景，而無人機(jī)集群遙感觀測也將成為無人機(jī)遙感的一種重要應(yīng)用方式。本文指出目前無人機(jī)集群遙感觀測的實(shí)現(xiàn)需要解決的四大問題：無人機(jī)集群遙感觀測任務(wù)規(guī)劃、無人機(jī)集群控制、無人機(jī)自組網(wǎng)以及遙感大數(shù)據(jù)處理。目前無人機(jī)集群任務(wù)規(guī)劃已有了較多成果，主要解決方法分為三類：群智能算法、協(xié)商法以及數(shù)學(xué)規(guī)劃算法，但是目前對于無人機(jī)集群任務(wù)規(guī)劃問題的研究多數(shù)處于理論層面，距離走向工程實(shí)際還有一定的距離;對于無人機(jī)集群控制，已經(jīng)進(jìn)行了較多研究，主要方法分為3類：對單個無人機(jī)進(jìn)行控制、無人機(jī)形成編隊(duì)進(jìn)行編隊(duì)控制和仿照生物集群行為對無人機(jī)集群進(jìn)行控制，單獨(dú)控制的方法需要耗費(fèi)較大的人力，實(shí)用性較低，編隊(duì)的方法是目前常用的控制方法，技術(shù)相對成熟，仿照生物集群行為對無人機(jī)集群進(jìn)行控制是無人機(jī)集群控制發(fā)展的方向，可簡單解決大量無人機(jī)潔群控制的問題，目前還在理論研究過程中; 而無人機(jī)自組網(wǎng)技術(shù)是擴(kuò)大無人機(jī)集群觀測范圍的關(guān)鍵步驟，但是目前仍不能解決無人機(jī)高速移動導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定問題;在無人機(jī)集群遙感觀測的情況下，遙感數(shù)據(jù)必將大量增加，呈現(xiàn)大數(shù)據(jù)的特征，而目前遙感大數(shù)據(jù)處理技術(shù)并不成熟，在信息的深度融合，機(jī)器學(xué)習(xí)，分析平臺的研究等方面仍存在很大的缺口。綜上，無人機(jī)集群遙感觀測想要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用仍有很長的一段路要走。

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