從精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)到災(zāi)害響應(yīng)，空中無(wú)人機(jī)（又稱(chēng)無(wú)人駕駛飛行器）正變得更智能、更迅捷、更協(xié)同。下一個(gè)發(fā)展目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)同步飛行。

邊緣計(jì)算、無(wú)線(xiàn)通信和傳感器融合技術(shù)的近期突破顯著提升了自主機(jī)器人系統(tǒng)的性能。與此同時(shí)，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)也變得更加復(fù)雜，帶來(lái)了新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，如管理分布式處理、保持低延遲連接和滿(mǎn)足嚴(yán)格的功耗限制。

隨著這些系統(tǒng)的不斷發(fā)展，人們的關(guān)注點(diǎn)正轉(zhuǎn)向多機(jī)器人協(xié)同領(lǐng)域——成群的自主無(wú)人機(jī)協(xié)同工作，其任務(wù)執(zhí)行效率遠(yuǎn)超單個(gè)機(jī)體獨(dú)立運(yùn)作。本文將探討無(wú)人機(jī)與機(jī)器人協(xié)同技術(shù)（即所謂的集群機(jī)器人技術(shù)）日益廣泛的應(yīng)用。

地點(diǎn)與任務(wù)導(dǎo)航

2022年倫敦白金禧慶典中，無(wú)人機(jī)編隊(duì)形成柯基犬形狀的無(wú)人機(jī)秀。

集群機(jī)器人技術(shù)指大量無(wú)人機(jī)協(xié)同工作以完成共同任務(wù)。該技術(shù)引人注目的應(yīng)用當(dāng)屬創(chuàng)新的煙花替代方案——在體育賽事和慶典活動(dòng)中，無(wú)人機(jī)呈現(xiàn)出令人目眩的視覺(jué)盛宴（圖1）。

自然界中同樣存在許多群聚現(xiàn)象。包括螞蟻和蜜蜂在內(nèi)的眾多昆蟲(chóng)物種，在沒(méi)有集中控制的情況下仍能作為一個(gè)凝聚的整體協(xié)同工作。盡管缺乏整體控制，它們?nèi)阅軈f(xié)調(diào)行動(dòng)完成復(fù)雜任務(wù)。受此行為啟發(fā)，設(shè)計(jì)師們正在開(kāi)發(fā)機(jī)器人群，以在各類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)新型操作。

工業(yè)中的集群機(jī)器人技術(shù)

制造業(yè)是早期采用機(jī)器人的領(lǐng)域之一，但當(dāng)時(shí)的機(jī)器人只是執(zhí)行有限任務(wù)的簡(jiǎn)單機(jī)械裝置，盡管它們比人工操作更快、更穩(wěn)定。現(xiàn)代智能工廠要求機(jī)器人具備更強(qiáng)的靈活性，能夠應(yīng)對(duì)快速變化的需求。這類(lèi)工廠已開(kāi)始使用自主移動(dòng)機(jī)器人 (AMR) 執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)，包括物料運(yùn)輸和訂單揀選。然而，這些機(jī)器人通常遵循預(yù)設(shè)路徑運(yùn)行，其設(shè)計(jì)更適合工廠車(chē)間這種結(jié)構(gòu)化環(huán)境。

具備集群能力的機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)更高的靈活性。這類(lèi)集群設(shè)計(jì)旨在實(shí)現(xiàn)局部決策，從而消除對(duì)集中式或結(jié)構(gòu)化控制的需求。通過(guò)眾多單元協(xié)同工作，集群可根據(jù)可用性和環(huán)境條件完成任務(wù)。若將集群視為一個(gè)整體，它將具備容錯(cuò)特性——當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，可通過(guò)調(diào)配備用單元繞過(guò)故障點(diǎn)，確保任務(wù)能順利完成。

自主機(jī)器人集群使廠區(qū)內(nèi)的物料運(yùn)輸更加靈活。它們能夠避開(kāi)高流量區(qū)域，閑置單元可接收新任務(wù)，并迅速應(yīng)對(duì)異常情況。

農(nóng)業(yè)機(jī)器人

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面臨廣闊且難以預(yù)測(cè)的環(huán)境，這與工廠的受控環(huán)境截然不同。智能農(nóng)業(yè)技術(shù)正開(kāi)始用傳感器和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的決策取代人工勞動(dòng)，但農(nóng)場(chǎng)中任務(wù)的規(guī)模和多樣性仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。[2]

機(jī)器人集群為這一挑戰(zhàn)提供了解決方案。與高度精密的農(nóng)業(yè)機(jī)械不同，機(jī)器人集群由大量相對(duì)簡(jiǎn)單的機(jī)器組成。它們之所以實(shí)用，是因?yàn)槟軌蛟诖竺娣e區(qū)域內(nèi)部署，并協(xié)同完成重復(fù)且耗時(shí)的任務(wù)。

農(nóng)業(yè)機(jī)器人融合了地面系統(tǒng)與空中無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)。地面系統(tǒng)可直接與植物和土壤互動(dòng)，而空中無(wú)人機(jī)則能大范圍勘測(cè)并實(shí)施噴灑作業(yè)。這種組合構(gòu)成了多層級(jí)自適應(yīng)系統(tǒng)，可針對(duì)獨(dú)特的農(nóng)業(yè)環(huán)境進(jìn)行定制。由于機(jī)器人具備移動(dòng)性，其運(yùn)作無(wú)需依賴(lài)固定基礎(chǔ)設(shè)施，因此特別適合在偏遠(yuǎn)地區(qū)使用。

機(jī)器人集群還具有可擴(kuò)展性，可快速增減單元以應(yīng)對(duì)季節(jié)性需求。因此，該集群構(gòu)成了一支龐大的機(jī)器人勞動(dòng)力隊(duì)伍，能在農(nóng)場(chǎng)內(nèi)執(zhí)行大量重復(fù)性作業(yè)而無(wú)需集中控制，使農(nóng)戶(hù)能夠更多地承擔(dān)監(jiān)督職責(zé)。

基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)

農(nóng)場(chǎng)并非自主機(jī)器人創(chuàng)造價(jià)值的唯一場(chǎng)景。關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施如管道、電網(wǎng)和風(fēng)力渦輪機(jī)也面臨類(lèi)似挑戰(zhàn)。這類(lèi)設(shè)施覆蓋廣闊地域，常位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，且需要定期檢查。直升機(jī)巡檢雖有幫助，卻無(wú)法提供所需細(xì)節(jié)。地面檢查雖能獲取更精細(xì)信息，但效率低下、成本高昂且存在安全隱患。

機(jī)器人集群提供了一種兼具機(jī)動(dòng)性與精確性的替代方案，可實(shí)現(xiàn)快速安全的數(shù)據(jù)采集。配備高分辨率攝像頭及其他傳感器系統(tǒng)的大型無(wú)人機(jī)集群，能從多角度進(jìn)行快速檢測(cè)。它們既可懸停近距離檢查關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，又能不受地形限制地快速轉(zhuǎn)移至下一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。

空中救援

空中機(jī)器人可協(xié)同作業(yè)，在大面積區(qū)域和建筑物內(nèi)自動(dòng)執(zhí)行任務(wù)。

在任何大規(guī)模緊急事件中，無(wú)論是地震還是野火，早期干預(yù)都能大大提高人類(lèi)和野生動(dòng)物的生存幾率。在搜救行動(dòng)中，速度同樣至關(guān)重要——快速響應(yīng)常常關(guān)乎生死。

傳統(tǒng)地面搜救隊(duì)必須應(yīng)對(duì)高度危險(xiǎn)的環(huán)境。其他風(fēng)險(xiǎn)，包括建筑物結(jié)構(gòu)不穩(wěn)和局部高溫，可能迫使救援人員行動(dòng)緩慢。

幾乎在任何緊急情況發(fā)生后，都可以迅速部署成群的搜救無(wú)人機(jī)。這些無(wú)人機(jī)配備先進(jìn)的探測(cè)系統(tǒng)，包括紅外和大氣傳感器，能夠快速建立精確的地面狀況模型。

這些搜救無(wú)人機(jī)采用分散式控制系統(tǒng)，使操作員能夠在大范圍內(nèi)同步開(kāi)展搜索行動(dòng)，為后續(xù)救援隊(duì)伍鎖定潛在生還者。其群體智能技術(shù)可動(dòng)態(tài)調(diào)整飛行路線(xiàn)，而小型機(jī)身設(shè)計(jì)則使其能夠安全勘察人類(lèi)難以進(jìn)入的危險(xiǎn)區(qū)域。

支持技術(shù)

無(wú)人機(jī)間的通信是實(shí)現(xiàn)集群功能的核心需求。集群要作為一個(gè)協(xié)同整體運(yùn)作，必須以極小延遲共享信息。每架無(wú)人機(jī)都需要共享其位置數(shù)據(jù)、所分配任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)以及對(duì)周邊環(huán)境的觀測(cè)信息。

由機(jī)器人或無(wú)人機(jī)陣列產(chǎn)生的海量信息可能對(duì)常見(jiàn)通信協(xié)議（如Wi-Fi、Zigbee和LTE）的承載能力構(gòu)成挑戰(zhàn)。密集型集群既需要低延遲通信，又需具備可擴(kuò)展性。新興的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和專(zhuān)用集群通信標(biāo)準(zhǔn)（如移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)MANET）或可提供解決方案。MANET作為去中心化無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，無(wú)需依賴(lài)路由器或無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)等預(yù)先存在的基建設(shè)施。

構(gòu)成移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的每架無(wú)人機(jī)都是獨(dú)立的，但隨著其在集群中移動(dòng)，會(huì)不斷改變與其他成員的連接關(guān)系。因此，每架無(wú)人機(jī)既是網(wǎng)絡(luò)的一部分，不僅傳輸自身數(shù)據(jù)，還會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)鄰近無(wú)人機(jī)的信息。

精確定位信息是必須共享的重要數(shù)據(jù)要素。全球定位系統(tǒng) (GPS) 是提供精確位置的成熟手段，但在封閉或地下環(huán)境中應(yīng)用受限。無(wú)人機(jī)還必須能在GPS信號(hào)受阻區(qū)域正常運(yùn)作。其他技術(shù)手段——包括超寬帶 (UWB) 通信和基于視覺(jué)的同步定位與建圖 (SLAM) 技術(shù)——可確保持續(xù)的定位精度。

SLAM是一種用于機(jī)器人和自動(dòng)駕駛車(chē)輛的技術(shù)，能夠繪制周?chē)h(huán)境的地圖并精確定位自身位置。[3]利用基于視覺(jué)的傳感器和激光雷達(dá)生成的信息，SLAM技術(shù)需要在位置傳感器和處理器之間進(jìn)行低延遲通信。即便在其他技術(shù)不可用時(shí)，該技術(shù)仍能提供厘米級(jí)精度。

除了傳感器、通信和定位系統(tǒng)外，無(wú)人機(jī)還需配備儲(chǔ)能和推進(jìn)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)者必須在重量與性能、電池壽命與耐用性之間取得平衡。采用鋰離子或鋰聚合物技術(shù)的電池，能為小型飛行機(jī)器人提供能量密度與重量的理想組合。設(shè)計(jì)師還需關(guān)注無(wú)人機(jī)群的作業(yè)環(huán)境：無(wú)論是部署于工業(yè)或農(nóng)業(yè)場(chǎng)景，還是用于自然災(zāi)害救援，無(wú)人機(jī)都必須具備抗風(fēng)、耐雨及耐極端溫度的能力。

未來(lái)發(fā)展方向

機(jī)器人集群的未來(lái)將包括自主任務(wù)規(guī)劃與企業(yè)系統(tǒng)集成等先進(jìn)功能。在工業(yè)領(lǐng)域，集群將直接對(duì)接自動(dòng)化企業(yè)資源規(guī)劃 (ERP) 和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)完全自主化運(yùn)作。其他應(yīng)用場(chǎng)景則將提升與人類(lèi)操作員的協(xié)作水平，包括采用手勢(shì)和直接語(yǔ)音等高級(jí)指令。

這些新增功能需要制定新的政策和法規(guī)。在操作層面，必須與傳統(tǒng)的載人飛機(jī)共享空域。隨著人工智能 (AI) 的發(fā)展和自主性的增強(qiáng)，倫理與隱私問(wèn)題隨之浮現(xiàn)，而保持公眾信任對(duì)于確保其在日常使用中的廣泛接受至關(guān)重要。

機(jī)器人集群正為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、基礎(chǔ)設(shè)施及應(yīng)急響應(yīng)領(lǐng)域開(kāi)辟全新路徑。隨著自主性、通信及定位系統(tǒng)的進(jìn)步，去中心化集群編隊(duì)提供了可擴(kuò)展且高效的解決方案。隨著政策法規(guī)日趨完善，機(jī)器人集群將從創(chuàng)新階段邁向全面整合階段。