有人/无人机协同系统及关键技术综述

有人/无人机协同系统是在无人机系统基础上发展起来的一种新型协同作战系统。随着任务复杂度的不断加深，仅凭无人机不能满足各类任务需求，有人机承担的指挥、控制和决策功能的重要性逐步增强，是系统任务执行效能得以提升的关键要素。凭借无人机强大的感知、计算、通讯能力以及机载飞行员的高级智慧和经验，有人机和无人机可以实现协同编队，完成各种复杂任务。深入分析了有人/无人机协同系统的架构及组成，总结了目前的发展状况，提炼和归纳了系统的关键技术。最后对系统未来的发展方向进行了展望。 目前无人机研究领域相关技术的发展日趋成熟,已实现了对单一复杂任务的高效执行。然而随着实际任务执行要求的提高,已经出现了一些仅靠传统的单无人机甚至由多个无人机组成的编队系统无法完成的任务,尤其是面向军事领域的复杂任务。例如现役军用无人机系统执行侦查、监视与情报(intelligence,surveillance and reconnaissance,ISR)的一体化联合作战任务[1]。当前的无人机虽能携带一些武器,如小型和大威力的精确制导武器、激光武器或反辐射导弹[2-3],但战场环境瞬息万变,现有的无人机系统并不能完全代替人类大脑做出精准的判断和决策。更有效的方式是将有人机和若干架无人机组成混合编队,并由载人机就近向无人机发布指令从而执行实时性要求较高的任务。该方向已经受到广泛关注,并逐渐成为当前有人/无人机协同系统中的研究热点问题。

当前民用无人机已经基本满足大多数任务需求,并且民用领域的任务通常情况下并不十分复杂,且对相关技术如编队协同控制、路径规划等问题的研究日趋成熟。相对而言有人/无人机协同系统在军事领域的研究和应用较多,是近年来备受推崇和关注的多域作战[4-5]和跨域协同作战[6]中的热点问题,本文中涉及该方向的相关介绍和研究综述将以军事领域为背景。

作为较先进的作战体系,世界各国都在无人机作战技术的发展基础上开展了面向有人/无人机协同系统的研究。图1为美空军RQ-4B全球鹰大型侦察无人机。

图1 RQ-4B全球鹰无人机 Fig.1 RQ-4B global hawk

以英国和美国为代表,两国分别在有人/无人机协同作战研究领域取得了成功。英国QinetiQ公司实现了有人机对无人机群战术层面的协调与控制[7-8];美国麻省理工学院和波音公司合作实现了机载驾驶员利用语音传输与识别技术向无人机传达指令协调执行任务。当前美军的C2BMC(command and control,battle management and communications)系统是全球较为领先的指控系统[9],该系统具备了绝大部分有人/无人机协同系统的关键指挥控制类技术,如态势感知、自适应规划、通信、建模、仿真与分析等。目前国内对于有人/无人机系统的研究和发展仍处于起步阶段,但针对各类自主无人系统的研究已经取得了不少成果,这些成果融合了人工智能、机器人技术、先进控制和决策等诸多高精尖科技成分[10]。笔者所在的研究团队针对地面无人系统的多智能体平台结合物联网通讯技术开展了相关研究工作[11],近年来对无人机自主协同编队控制问题进行了研究[12-13],后期考虑到人的干预行为,有望将有人控制与无人平台深度融合实现有人/无人空地协同系统。纵观国内外发展现状,有人/无人机协同系统的理论研究与实现问题十分复杂,涉及诸多技术难点,如链路通信以及高标准的人机交互和人机智能融合等。因此,除了上述已开展的研究工作,无人机群的规模控制、战力提升以及各种人机辅助操作、交互系统的开发[14]等也均为有人/无人机协同系统当前发展甚至将来仍需面对的问题。本文中将详细总结并分析有人/无人机协同系统的组成架构,运行机理以及关键技术,并提出未来的发展方向。