無(wú)人機(jī)集群，指借鑒自然界的自組織機(jī)制，使具備有限自主能力的多架無(wú)人機(jī)在沒(méi)有集中指揮控制的情況下，通過(guò)相互間信息通信產(chǎn)生整體效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)較高程度的自主協(xié)作，從而能在盡量少的人員干預(yù)下完成預(yù)期的任務(wù)目標(biāo)。本期主要介紹國(guó)外對(duì)集群無(wú)人機(jī)技術(shù)的研究成果。結(jié)合上期內(nèi)容讀者也許會(huì)發(fā)現(xiàn)，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)該領(lǐng)域的研究都集中在理論研究及技術(shù)驗(yàn)證方面。

四、國(guó)外集群

軍用無(wú)人機(jī)相關(guān)項(xiàng)目

國(guó)外集群軍用無(wú)人機(jī)技術(shù)的研究以美國(guó)為主，推行項(xiàng)目制。目前美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，簡(jiǎn)稱(chēng)DARPA）、美國(guó)海軍研究局及眾多實(shí)驗(yàn)室等機(jī)構(gòu)已經(jīng)投入了不少資源，且在無(wú)人機(jī)集群高風(fēng)險(xiǎn)/高回報(bào)的概念驗(yàn)證研究方面成效顯著?？傮w來(lái)說(shuō)，國(guó)外在無(wú)人機(jī)集群方面的研究相比國(guó)內(nèi)做得更為深入，其相關(guān)項(xiàng)目如下。

1.“灰山鶉”（Perdix）項(xiàng)目

2011年，麻省理工學(xué)院主導(dǎo)研制了“灰山鶉”無(wú)人機(jī)。該無(wú)人機(jī)采用凱芙拉合成纖維和碳纖維材料，通過(guò)3D打印而成。其中機(jī)翼由碳纖維制成，機(jī)身使用低阻力玻璃凱芙拉纖維，動(dòng)力源是鋰電池。

2012年，美國(guó)國(guó)防部戰(zhàn)略能力辦公室成立后，采納了該型無(wú)人機(jī)，為其配套開(kāi)發(fā)了由戰(zhàn)機(jī)進(jìn)行空中投放的技術(shù)，并于2014年開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)。2015年6月，在“北方利刃”軍演中，該型無(wú)人機(jī)共進(jìn)行了150次試驗(yàn)，其中有72次是由F-16戰(zhàn)斗機(jī)通過(guò)曳光彈投放器做的投放試驗(yàn)。投放后，無(wú)人機(jī)會(huì)先同載具分離；然后依次展開(kāi)降落傘、機(jī)翼，進(jìn)入減速下降階段；隨后降落傘脫離、機(jī)載發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，無(wú)人機(jī)轉(zhuǎn)為自主調(diào)整飛行階段?！盎疑靳嚒笨稍?0米/秒的速度下正常打開(kāi)機(jī)翼，并在30米/秒的風(fēng)速環(huán)境中保持飛行姿態(tài)穩(wěn)定。在整個(gè)飛行過(guò)程中，它一直具備數(shù)據(jù)通信能力。

2016年10月，美軍在加州“中國(guó)湖靶場(chǎng)”上空進(jìn)行了無(wú)人機(jī)拋撒試驗(yàn)：先由3架海軍F/A-18F戰(zhàn)斗機(jī)釋放103架“灰山鶉”，然后無(wú)人機(jī)在脫離發(fā)射艙后的短時(shí)間內(nèi)相互發(fā)現(xiàn)隊(duì)友并組成集群隊(duì)形。該試驗(yàn)標(biāo)志著美軍的集群自組網(wǎng)技術(shù)達(dá)到了實(shí)用性階段?！盎疑靳嚒蔽⑿蜔o(wú)人機(jī)還可由地面發(fā)射裝置發(fā)射，或通過(guò)地面人員投擲發(fā)射。未來(lái)，“灰山鶉”項(xiàng)目也許會(huì)考慮采用大量、不可回收的部署方式。

2.“蝗蟲(chóng)”（LOCUST）項(xiàng)目

2015年4月16日，美國(guó)海軍研究辦公室公布了LOCUST項(xiàng)目中涉及的一系列無(wú)人機(jī)集群技術(shù)驗(yàn)證工作。LOCUST全稱(chēng)是Low-cost UAV Swarming Technology，即低成本無(wú)人機(jī)集群技術(shù)。項(xiàng)目聚焦于研究通過(guò)發(fā)射管將大量可進(jìn)行數(shù)據(jù)共享、自主協(xié)同的無(wú)人機(jī)快速、連續(xù)發(fā)射至空中的技術(shù)。這類(lèi)發(fā)射裝置及無(wú)人機(jī)必須體積較小，方便整合到艦船、裝甲車(chē)輛、飛機(jī)等平臺(tái)上。而無(wú)人機(jī)在發(fā)射后組成“蜂群”，不僅能按設(shè)定目的做集群飛行、協(xié)同配合，而且可執(zhí)行對(duì)敵偵察、打擊等任務(wù)。從作戰(zhàn)使用角度來(lái)看，LOCUST集群無(wú)人機(jī)具有明顯優(yōu)勢(shì)。

在已公布的驗(yàn)證工作里，LOCUST項(xiàng)目用的是雷神公司生產(chǎn)、可通過(guò)發(fā)射管直接起飛的“郊狼”無(wú)人機(jī)。它采用可折疊的機(jī)翼和螺旋槳，在離開(kāi)發(fā)射管之后能迅速展開(kāi)并進(jìn)入飛行模式。這種無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間在1小時(shí)左右，飛行速度90 英里/小時(shí)（約合144.8千米/小時(shí)），最大起飛重量不超過(guò) 13 磅（約合5.9千克）。項(xiàng)目還開(kāi)發(fā)了一套多管發(fā)射裝置，支持無(wú)人機(jī)在陸地或艦船上的連續(xù)發(fā)射。與造價(jià)昂貴的有人戰(zhàn)機(jī)、導(dǎo)彈等高精尖武器相比，LOCUST集群無(wú)人機(jī)在擁有信息化系統(tǒng)各要素支持的同時(shí)，造價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于前者。

2015年3月，美國(guó)海軍研究辦公室在多個(gè)地點(diǎn)完成了演示驗(yàn)證工作，包括發(fā)射攜帶有不同任務(wù)載荷的“郊狼”無(wú)人機(jī)，以及9架無(wú)人機(jī)完全自主同步和編隊(duì)飛行。2016年4月，又完成了30架無(wú)人機(jī)連續(xù)發(fā)射和編組飛行試驗(yàn)。

3.“小精靈”（Gremlins）項(xiàng)目

2015年9月，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局發(fā)布了“小精靈”項(xiàng)目公告，提出研制通過(guò)載機(jī)在防區(qū)外發(fā)射攜帶了偵察或電子戰(zhàn)設(shè)備、具備組網(wǎng)與協(xié)同能力的無(wú)人機(jī)蜂群，用于離岸偵察與電子攻擊，并在任務(wù)完成后對(duì)幸存無(wú)人機(jī)進(jìn)行回收。

在項(xiàng)目策劃階段，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局描述了一種體系作戰(zhàn)概念，即利用包含運(yùn)輸機(jī)、轟炸機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)甚至無(wú)人機(jī)在內(nèi)的無(wú)人機(jī)載機(jī)，在防區(qū)外發(fā)射小型無(wú)人機(jī)集群。該項(xiàng)目要求對(duì)小型無(wú)人機(jī)集群空中發(fā)射和由C-130戰(zhàn)術(shù)運(yùn)輸機(jī)在空中回收開(kāi)展驗(yàn)證，且小型無(wú)人機(jī)在空中回收后得返回基地，并能在維護(hù)后投入全新任務(wù)。

2016年3月，“小精靈”項(xiàng)目第一階段合同共授予4家公司，分別是諾思羅普·格魯曼公司的全資子公司縮比復(fù)合材料、Dynetics公司、通用原子航空系統(tǒng)公司和洛克希德·馬丁空間系統(tǒng)公司，旨在發(fā)展以集群方式飽和攻擊敵防空系統(tǒng)的廉價(jià)小型無(wú)人機(jī)技術(shù)解決方案?！靶【`”無(wú)人機(jī)的性能指標(biāo)為：作戰(zhàn)半徑556 – 926千米、可持續(xù)作戰(zhàn)時(shí)間1 – 3小時(shí)、飛行馬赫數(shù)0.7 – 0.8+、任務(wù)載荷27.25 – 54.5千克、單價(jià)造價(jià)70 – 100萬(wàn)美元。這種小尺寸、可復(fù)用、有限壽命、低成本的概念無(wú)人機(jī)，未來(lái)可為很多在研產(chǎn)品提供載體，共同支撐分布式協(xié)同空中作戰(zhàn)。

目前，Dynetics公司和通用原子航空系統(tǒng)公司已經(jīng)獲得“小精靈”項(xiàng)目為期1年的第二階段合同，完成了全尺寸技術(shù)驗(yàn)證系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)，發(fā)展根據(jù)上述性能指標(biāo)定制的噴氣動(dòng)力低成本無(wú)人機(jī)。美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局將在2018年年初選擇其中一家承包商進(jìn)入為期1年半的項(xiàng)目第三階段，制造驗(yàn)證系統(tǒng)并于2019年開(kāi)展實(shí)際飛行試驗(yàn)。

五、國(guó)外集群

民用無(wú)人機(jī)相關(guān)團(tuán)隊(duì)

1.匈牙利羅蘭大學(xué)Tamás Vicsek團(tuán)隊(duì)

2014年，Nature雜志報(bào)道了匈牙利羅蘭大學(xué)Tamás Vicsek團(tuán)隊(duì)的科研成果——10架四旋翼飛行器在室外環(huán)境下的自主集群飛行。該項(xiàng)目的最大特點(diǎn)是其任務(wù)決策層利用了生物集群行為的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了類(lèi)似鳥(niǎo)群的自主飛行。

在試驗(yàn)中，10架四旋翼飛行器通過(guò)與鄰近個(gè)體進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)了自主決策飛行，全過(guò)程不存在中心控制點(diǎn)。該項(xiàng)目基于自驅(qū)動(dòng)粒子的運(yùn)動(dòng)機(jī)制，讓四旋翼飛行器集群在GPS噪聲、通信延遲等故障環(huán)境下嘗試穩(wěn)定飛行，解決了有界區(qū)域內(nèi)的碰撞規(guī)避和聚集、集群目標(biāo)跟蹤以及隊(duì)形的穩(wěn)定保持（網(wǎng)格、旋轉(zhuǎn)環(huán)和直線）問(wèn)題。

2.美國(guó)海軍研究生院Timothy Chung團(tuán)隊(duì)

2015年，美國(guó)海軍研究生院Timothy Chung團(tuán)隊(duì)成功完成了50架固定翼無(wú)人機(jī)集群飛行試驗(yàn)。此前，他們剛剛完成了1人操控30架固定翼無(wú)人機(jī)的試驗(yàn)。

試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，無(wú)人機(jī)通過(guò)Timothy Chung團(tuán)隊(duì)研制的鏈傳動(dòng)彈射器，每30秒發(fā)射1架。無(wú)人機(jī)依次升空后，會(huì)依照主從模式飛行，并利用無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互和共享。與以往每架飛行器需要一個(gè)操縱員不同，依靠集群地面控制站，1名操縱員就能同時(shí)控制50架無(wú)人機(jī)。在這個(gè)項(xiàng)目里，核心是實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)操控權(quán)的轉(zhuǎn)移，即將控制權(quán)逐漸轉(zhuǎn)移至飛行器，讓它自主做飛行和決策，大大減輕了操控人員的壓力。

3.美國(guó)英特爾（Intel）公司

在2016年年初的國(guó)際消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品展覽會(huì)（CES）上，英特爾公司完成了一項(xiàng)吉尼斯世界紀(jì)錄挑戰(zhàn)：100架四軸飛行器同步編隊(duì)飛行，完成燈光秀。2016年11月5日，該公司再挑戰(zhàn)高難度，打造了一場(chǎng)名為“流星”的燈光秀。在這場(chǎng)表演里，500架無(wú)人機(jī)由10人團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)放飛，僅有1人控制500架無(wú)人機(jī)變換燈光。

英特爾公司自主研發(fā)的算法，能夠自動(dòng)處理動(dòng)畫(huà)制作流程，并規(guī)劃出創(chuàng)建空中圖案的最快路徑。操縱員只需輸入1張圖片，就能得出所需無(wú)人機(jī)數(shù)量，以及每架的停放位置。而在此之前，每次編隊(duì)飛行，都需要?jiǎng)赢?huà)師長(zhǎng)時(shí)間地手動(dòng)完成計(jì)算。無(wú)人機(jī)自帶的燈光秀軟件，還會(huì)在每次飛行前做完整的機(jī)隊(duì)檢查，并基于電池續(xù)航時(shí)間、GPS接收信號(hào)能力等因素，為每次飛行秀挑選最合適的無(wú)人機(jī)。

4.法國(guó)派諾特（Parrot）公司

雖然派諾特公司在消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的市場(chǎng)份額一直不及大疆，但其產(chǎn)品和技術(shù)頗具特色。在最近的年度展會(huì)上，派諾特室內(nèi)無(wú)人機(jī)編隊(duì)舞蹈屢屢成為熱點(diǎn)。不過(guò)其多旋翼無(wú)人機(jī)集群規(guī)模不大，且只在室內(nèi)飛行。

5.新加坡SwarmX公司

SwarmX公司是新加坡的一家無(wú)人機(jī)初創(chuàng)公司，以其HiveMind無(wú)人機(jī)操作系統(tǒng)切入集群技術(shù)市場(chǎng)。HiveMind操作系統(tǒng)允許用戶通過(guò)平板電腦、臺(tái)式機(jī)或指揮中心管理無(wú)人機(jī)集群，同時(shí)提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和成果可視化服務(wù)。使用SwarmX公司“基于目標(biāo)的集群管理”的機(jī)器學(xué)習(xí)算法時(shí)，集群指揮官只要發(fā)出需監(jiān)視區(qū)域的范圍，軟件就可迅速推算集群無(wú)人機(jī)中成員的有效部署方法。

6.美國(guó)亞馬遜公司

亞馬遜公司準(zhǔn)備用小型無(wú)人機(jī)構(gòu)建無(wú)人機(jī)集群，組成1個(gè)“巨型運(yùn)輸機(jī)”，以完善自身的無(wú)人機(jī)物流方案。這個(gè)“巨型運(yùn)輸機(jī)”在運(yùn)行時(shí)具有非常高的靈活性，可應(yīng)對(duì)不同需求而形成不同的排列組合。從專(zhuān)利圖中可以看到，亞馬遜力圖打造的無(wú)人機(jī)集群至少能組成方形、菱形、錐形甚至多種不規(guī)則形狀的矩陣，用于運(yùn)送不同形狀、尺寸、重量的貨物。

7.荷蘭代爾夫特理工大學(xué)

代爾夫特理工大學(xué)的微型飛行器實(shí)驗(yàn)室正在開(kāi)發(fā)具備集群技術(shù)的“口袋無(wú)人機(jī)”，每個(gè)無(wú)人機(jī)僅有手掌大小。它們能夠飛入室內(nèi)，在建筑物遭到嚴(yán)重破壞的情況下幫助救援人員搜尋幸存者。

8.美國(guó)哈佛大學(xué)威斯康星研究所

哈佛大學(xué)威斯康星研究所正在開(kāi)展一個(gè)名為RoboBee的集群無(wú)人機(jī)項(xiàng)目，成員是起飛重量小于10克的紙夾型無(wú)人機(jī)。它們將被用于天氣監(jiān)測(cè)、農(nóng)田監(jiān)視、作物授粉等領(lǐng)域。威斯康星研究所的研究人員認(rèn)為，未來(lái)小型無(wú)人機(jī)可能會(huì)像昆蟲(chóng)一樣，成為我們生活環(huán)境的一部分。（未完待續(xù)）