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探究群體智能——一種基于UWB定位技術(shù)的無(wú)人機(jī)集群協(xié)同

2023年03月23日 09:02$artinfo.Reprint點(diǎn)擊量：355

　　隨著無(wú)人機(jī)性能水平提高，無(wú)人機(jī)在民用類(lèi)和軍事類(lèi)活動(dòng)中的使用越來(lái)越廣泛。由于無(wú)人機(jī)飛行環(huán)境和任務(wù)難度不同，單架無(wú)人機(jī)因?yàn)樽陨韯?dòng)力和負(fù)荷能力很難獨(dú)自完成任務(wù)，無(wú)人機(jī)集群協(xié)同作業(yè)則是當(dāng)前科技現(xiàn)代化的任務(wù)要求。集群協(xié)作有效提高整體工作效能，實(shí)現(xiàn)單體性能到群體性能的提升，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)群體智能。
 
　　一、國(guó)內(nèi)外對(duì)群體智能技術(shù)的研究現(xiàn)狀
 
　　國(guó)外對(duì)群體智能技術(shù)的研究側(cè)重于整體性研究，主要針對(duì)集群結(jié)構(gòu)框架、控制與優(yōu)化技術(shù)、任務(wù)管理與協(xié)同等開(kāi)展研究工作。如美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局主導(dǎo)的自主編隊(duì)混合控制項(xiàng)目(MICA)，對(duì)協(xié)同任務(wù)分配、協(xié)同路徑規(guī)劃、混合主動(dòng)與自主編隊(duì)控制、協(xié)同跟蹤、信息共享等有關(guān)無(wú)人機(jī)集群的技術(shù)進(jìn)行了全面的研究。
 
　　國(guó)內(nèi)對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的協(xié)同感知與信息共享、路徑實(shí)時(shí)規(guī)劃、自主編隊(duì)與編隊(duì)重構(gòu)、智能協(xié)同決策等研究較為深入。集群中融合了視覺(jué)技術(shù)、UWB 技術(shù)、激光雷達(dá)技術(shù)及 GPS RTK 技術(shù)等，在理論仿真與實(shí)機(jī)驗(yàn)證方面均有所突破。中國(guó)電子科技集團(tuán)、浙江大學(xué)已經(jīng)開(kāi)展了集群飛行的實(shí)踐研究，且不依賴(lài)地面站。如近期來(lái)自浙江大學(xué)湖州研究院的論文《Swarm of micro flying robots in the wild》登上了《Science Robotics 》的封面，其無(wú)人機(jī)集群穿越竹林的視頻更是引起廣泛地關(guān)注，其設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)也是集UWB、雙目視覺(jué)等技術(shù)與一身。
 
　　二、群體智能在協(xié)同定位技術(shù)上存在的問(wèn)題
 
　　然而，面對(duì)群體智能的實(shí)際應(yīng)用，群體智能技術(shù)的未來(lái)發(fā)展還要解決研發(fā)過(guò)程中的技術(shù)挑戰(zhàn)問(wèn)題，主要體現(xiàn)在集群的自主性、協(xié)同性和算法智能性等方面。對(duì)于集群技術(shù)而言，智能單體間的信息共享是集群技術(shù)至關(guān)重要的一環(huán)。充分利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)資源實(shí)現(xiàn)信息共享的集群協(xié)同技術(shù)能夠優(yōu)化系統(tǒng)性能，尤其適用于無(wú)中心的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。自主性與協(xié)同性是群體智能的基礎(chǔ)，在單體自主已經(jīng)得到飛速發(fā)展的情況下，群體自主與協(xié)同成為群體智能發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。
 
　　而無(wú)論是自主性還是協(xié)同性，協(xié)同定位技術(shù)作為一項(xiàng)集群的基礎(chǔ)服務(wù)技術(shù)都是不可忽視的關(guān)鍵技術(shù)之一，面對(duì)未來(lái)群體智能的趨勢(shì)需求，目前的群體智能在協(xié)同定位技術(shù)上主要還存在如下兩個(gè)方面的問(wèn)題：
 
　　?問(wèn)題一：
 
　　面向?qū)崙?zhàn)的群體智能協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)的研究并不多見(jiàn)，尤其是 GPS/北斗拒止條件下，如何不依賴(lài)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行位置協(xié)同尚待研究。
 
　　?問(wèn)題二：
 
　　集群尚未真正群體智能化，以地面站作為主控的方式進(jìn)行多機(jī)協(xié)同，本質(zhì)上還沒(méi)有脫離對(duì)傳統(tǒng)集群技術(shù)的依賴(lài)，去中心化群體智能協(xié)作技術(shù)還有待進(jìn)一步研究。
 
　　上述問(wèn)題是群體智能協(xié)同技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題，從技術(shù)的角度看，群體自主與協(xié)同需要單體間具有良好的自主感知能力，減小對(duì)集中調(diào)度的依賴(lài)。而實(shí)現(xiàn)高精度的位置協(xié)同是群體智能協(xié)同的基礎(chǔ)，群體智能中的智能單體需要通過(guò)視覺(jué)、通信、激光雷達(dá)等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)自定位功能，具有障礙感知能力和決策能力來(lái)規(guī)避碰撞，最大限度地實(shí)現(xiàn)單體運(yùn)動(dòng)位置的自主決策。
 
　　三、基于UWB定位技術(shù)的無(wú)人機(jī)集群協(xié)同
 
　　針對(duì)以上問(wèn)題，從集群協(xié)同平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的角度，基于UWB定位技術(shù)，進(jìn)行集群協(xié)同平臺(tái)設(shè)計(jì)，提出分布式方案以解決集群協(xié)同問(wèn)題。目的在于使用UWB技術(shù)搭建集群協(xié)作平臺(tái)，更利于用戶(hù)探究實(shí)現(xiàn)群體智能的新方法，完善群體智能理論，擴(kuò)展群體智能的應(yīng)用范圍。
 
　　UWB定位系統(tǒng)下集群編隊(duì)系統(tǒng)主要應(yīng)用于室內(nèi)與室外快速搭建可移動(dòng)的多智能體集群技術(shù)驗(yàn)證，具有快速搭建、移動(dòng)便捷、飛行方便，測(cè)試成本低，測(cè)試效率高等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)可進(jìn)行虛擬結(jié)合仿真，快速實(shí)現(xiàn)大范圍、復(fù)雜環(huán)境智能體集群技術(shù)驗(yàn)證。該系統(tǒng)在室內(nèi)或者室外空間合理布置并安裝UWB基站(Anchor)，構(gòu)成無(wú)人飛行器的飛行定位坐標(biāo)空間，完成基準(zhǔn)坐標(biāo)系的建立，同時(shí)該基準(zhǔn)坐標(biāo)系還支持與當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系之間進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換;與此同時(shí)無(wú)人飛行器上也搭載了UWB定位標(biāo)簽(Tag)，通過(guò)與固定安裝在室內(nèi)空間中的UWB基站進(jìn)行通信，即可實(shí)現(xiàn)無(wú)人飛行器自身的定位。系統(tǒng)配備分布式控制地面站，具有無(wú)人機(jī)狀態(tài)顯示，無(wú)人機(jī)集群控制等各功能?？稍诰€發(fā)送任務(wù)指令，具備：①飛機(jī)控制、②算法切換、③飛機(jī)數(shù)據(jù)展示等功能，支持二次開(kāi)發(fā)。
 
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