在2022年北京冬奥会开幕式之夜，由2022架无人机组成的集群以极富创意的3D动态表演，在夜空中勾勒出漫天飞舞的雪花、冬奥会会徽以及“冰墩墩”和“雪容融”，给很多观众留下深刻印象。近年来，无人机集群应用在飞行表演、快递物流、精准农业、城市交通等领域大显身手，在世界范围内渐趋流行。
集群概念最早源于生物学研究，自然界中的生物通过个体自主决策和个体间的信息交互，使整个群体具有自组织性、协作性、稳定性及环境适应性。受此启发，无人机研究者尝试通过模拟自然界中的鸽群避障、雁群编队等生物群体智能行为，用一个“智能大脑”将多个无人机连接起来组成无人机集群。通过感知交互、信息传递和协同工作，使无人机集群成为自主式空中智能系统。这一系统并非单个平台的简单叠加，而是通过集群自主控制策略使之产生集群协同效应，实现“1+1>2”的群体智能。
集群化、自主化、智能化的无人机集群是未来无人机的重要发展方向。无人机集群相对单个无人机系统，可利用其规模优势，完成复杂任务，更具强生存能力和成本优势。比如，当部分无人机出现故障时，其他无人机可以替代其完成预定任务，使集群系统具有较高的容错性和自愈能力。如果有新的无人机加入集群，它可以通过与边界处无人机建立通信，使新的集群迅速融合。此外，通过合理的布局和协同控制，低成本无人机集群可代替成本高昂的单个复杂系统，发挥更大的经济效益。1000架规模的无人机集群系统的成本可能低于1架有人机，而综合效能有望更高。
无人机集群飞行表演主要利用三维建模、集群自组网通信、差分GPS等技术，以“击鼓传花”的方式，实现无人机之间的信息交换，确保运行轨迹精确到位。它对时间同步和定位精度技术要求非常高，个体数量越多，其整体运行难度越大。2021年，中国无人机团队以5200架无人机集群飞行表演，一举刷新4项吉尼斯世界纪录，跃居无人机编队表演榜首。
近年来，随着人工智能技术的飞速发展，更智能化的无人机集群相继出现。英国正尝试使用无人机集群大规模植树，通过算法计算出该区域最有效的种植模式，从而降低投入成本并提高产量。在高层建筑的火灾场景下，无人机集群可用侦察、投放、破窗、喷洒灭火等多种手段应对复杂火情，并且能够探测感知火情蔓延变化趋势，自主改变队形并分工协作，从而提高灭火工作效率，减少救援人员的伤亡。在大地测量和气象观测等领域，无人机集群携带分布载荷可完成单机无法完成的多点测量任务，提供更准确的测量数据。
群体智能技术是无人机集群发展的核心关键技术之一，也是未来重点发展的领域。受现有技术发展水平限制，无人机集群目前还存在“有智无慧、有感无情、有专无通、有协无同”的瓶颈，与鸟群、鱼群等生物的群体智能还有一定差距，自主完成复杂任务的能力仍待提高。随着人工智能、传感和通信等技术的快速发展，无人机集群必将展现出更广阔的应用前景，为人类的生产和生活带来更多科技红利。
(作者为北京航空航天大学“长江学者”特聘教授)
《 人民日报 》( 2022年07月13日 15 版)
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