無人機集群技術(shù)-智能組網(wǎng)與協(xié)同 課件 第1章 緒論

無人機集群技術(shù)第一章緒論國家級虛擬仿真實驗教學(xué)一流本科課程jian’y1.1課程導(dǎo)入1.2目錄CONTENT課程性質(zhì)與特色1.3無人機集群概述課程導(dǎo)入1.11.1課程導(dǎo)入4直升機/無人機混合集群協(xié)同電磁作戰(zhàn)（關(guān)鍵技術(shù)：集群組網(wǎng)、群體智能、數(shù)字孿生）運輸直升機飛赴戰(zhàn)區(qū)集結(jié)無人集群投放無人機集群協(xié)同電子偵查目標(biāo)截獲定位無人機集群自主航跡規(guī)劃協(xié)同電磁干擾武裝直升機開辟突防通道遂行攻擊任務(wù)課程導(dǎo)入1.15課程性質(zhì)與特色1.2課程性質(zhì)與特色現(xiàn)代計算機技術(shù)、通信技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展、相互滲透和多元融合形成了信息革命。其中一個重要方面就是現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展。無人機集群技術(shù)屬于通信網(wǎng)絡(luò)的一個分支，它是“航空和信息”高度交叉融合的科技前沿，涉及飛行器設(shè)計與工程（082002）、信息工程（080706）等多個傳統(tǒng)工科專業(yè)，符合新工科專業(yè)建設(shè)的發(fā)展方向。因此，本課程是一門跨專業(yè)、跨學(xué)科的學(xué)科拓展專業(yè)課程。1.27無人機集群是航空和信息高度交叉融合的科技前沿課程性質(zhì)與特色1.2

小精靈項目

CODE項目

“灰山鶉”項目

LOCUST項目中國電科中國電子科技集團(tuán)公司成功完成了119架固定翼無人機集群飛行試驗，演示了密集彈射起飛、空中集結(jié)、多目標(biāo)分組、編隊合圍、蜂群行動等動作。8課程主要內(nèi)容

1、無人機分類與多旋翼無人機；2、無人機集群體系結(jié)構(gòu)與控制架構(gòu)；

3、無人機集群通信與組網(wǎng)；

4、無人機集群協(xié)同控制；

5、虛擬仿真實驗。課程學(xué)時安排

1、必修：課堂教學(xué)28學(xué)時+實驗教學(xué)8學(xué)時，共計36學(xué)時；

2、選修：實驗室開放日，科創(chuàng)，競賽。培養(yǎng)目標(biāo)：旨在幫助學(xué)生掌握無人機集群相關(guān)的基礎(chǔ)理論知識。培養(yǎng)探究式的思維方式和解決復(fù)雜問題的綜合能力，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)后續(xù)課程以及從事相關(guān)專業(yè)的科學(xué)研究、工程技術(shù)及管理工作提供必備的理論基礎(chǔ)。課程性質(zhì)與特色1.29集群節(jié)點數(shù)量多，實驗成本高1集群覆蓋范圍廣，空域申請難2易發(fā)墜機等事故，實驗風(fēng)險大3結(jié)果難重現(xiàn)，不利于探究性教學(xué)4無人機集群相關(guān)實驗教學(xué)面臨嚴(yán)重困難課程性質(zhì)與特色1.2102020年國家級一流本科課程：多旋翼無人機裝配與群體協(xié)同虛擬仿真實驗課程性質(zhì)與特色1.211能實不虛虛實結(jié)合多旋翼無人機裝配與參數(shù)調(diào)試無人機集群鏈路預(yù)算與組網(wǎng)無人機集群協(xié)同與自主避障實驗?zāi)康模菏箤W(xué)生掌握多旋翼無人機裝配與參數(shù)調(diào)試、無人機集群鏈路預(yù)算與組網(wǎng)、無人機集群協(xié)同與自主避障相關(guān)技術(shù)原理和實驗方法，培養(yǎng)學(xué)生探究式的思維方式和解決復(fù)雜問題的綜合能力課程性質(zhì)與特色1.212無人機PID調(diào)參仿真環(huán)境中的無人機PID調(diào)參無人機集群協(xié)同飛行測試仿真環(huán)境中的無人機集群協(xié)同飛行高階性創(chuàng)新性挑戰(zhàn)度仿真程序和數(shù)據(jù)來源于科研中的實際程序?qū)崪y數(shù)據(jù)課程性質(zhì)與特色1.213國家級一流課程建設(shè)體系無人機集群技術(shù)國家級一流本科課程、工信部“十四五”規(guī)劃教材、高等教育出版社數(shù)字課程課程性質(zhì)與特色1.214無人機集群概述1.3什么是無人機？無人機是無人航空飛行器（UnmannedAerialVehicle,UAV）的簡稱，是一種由動力驅(qū)動、機上無人駕駛、可控制、可執(zhí)行特定任務(wù)的航空飛行器。無人機的發(fā)展呈現(xiàn)出以下特點：小型化、智能化；高空化、長行時化；低造價、低損耗。1.316無人機的分類無人機最主要可分為固定翼和多旋翼兩大類。1.317單無人機的缺陷單架無人機雖然具有機動性強、隱蔽性強、適應(yīng)性強等優(yōu)點，但存在以下問題：在執(zhí)行任務(wù)中，由于各種意外而造成無人機出現(xiàn)故障；偵查范圍有限，可能遺漏目標(biāo)；在覆蓋范圍、殺傷半徑、摧毀能力和攻擊精度等方面不足。無人機集群1.318什么是無人機集群由一定數(shù)量的單功能、多功能的UAV共同組成。可實現(xiàn)單個平臺行為自主決策、平臺間行為協(xié)同。

在交感網(wǎng)絡(luò)的支撐下，節(jié)點之間進(jìn)行信息交互與反饋、激勵與響應(yīng)等交感行為。最終產(chǎn)生能力涌現(xiàn)的自主式空中移動系統(tǒng)。

1.319無人機飛行控制方式1.遙控方式。一般利用地面指揮控制系統(tǒng)內(nèi)的遙控面板和外部遙控協(xié)同的方式。需要地面操控人員的參與。3.監(jiān)控方式的自主飛行。無人機具有自動化程度高的飛控系統(tǒng)，具有在線規(guī)劃、任務(wù)分配、飛行重構(gòu)等能力。

無人機在飛行過程中完全自主控制、決策和管理，操縱人員只是對無人機狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視、當(dāng)其出現(xiàn)故障時進(jìn)行校正。

2.預(yù)編程控制。無人機按照機載計算機預(yù)先編好的程序飛行，需要簡單的機載自動駕駛儀。魯棒性差，只能執(zhí)行簡單任務(wù)。1.320無人機集群適合完成的任務(wù)無人機集群需要具有感知、任務(wù)分析、規(guī)劃、推理、決策和動作執(zhí)行等功能。與單個無人機相比，無人機集群更適合完成以下任務(wù)：

區(qū)域監(jiān)測、遍歷類任務(wù)外界環(huán)境過于危險的任務(wù)有冗余性的任務(wù)

1.321無人機集群的民用場景在民用領(lǐng)域，無人機集群可用于農(nóng)業(yè)植保、航空攝影、應(yīng)急救災(zāi)難和飛行表演等。農(nóng)業(yè)植保：用無人機噴藥，防治病蟲害。航空攝影：低空無人機集群攝影系統(tǒng)。應(yīng)急救災(zāi)：森林火災(zāi)探測、無人機滅火。飛行表演：重大活動的夜間空中燈光秀。1.322無人機集群基于合作策略和協(xié)調(diào)機制，應(yīng)具有以下屬性：具有自適應(yīng)、自組織特性具有柔性和魯棒性具有人為監(jiān)測干預(yù)的受控系統(tǒng)無人機自組織與人弱控制交互作用的動態(tài)系統(tǒng)

無人機集群的集群屬性1.323無人機集群內(nèi)部各無人機有目的、有意識的運行/演變活動稱為集群行為。

按運行層次及參與無人機個數(shù)，集群行為可分為獨立行為、

交互行為、協(xié)同行為、系統(tǒng)行為；獨立行為指未與其他無人機交互而自行發(fā)生的行為，一般存在于標(biāo)志無人機(主節(jié)點)。交互行為是集群內(nèi)無人機間交互與反饋、激勵與響應(yīng)等智能行為，多種形式、多種意圖的交互行為產(chǎn)生集群能力。

無人機集群的集群行為1.324

按運行層次及參與無人機個數(shù)，集群行為可分為獨立行為、交互行為、協(xié)同行為、系統(tǒng)行為；協(xié)同行為是獨立行為和交互行為共同產(chǎn)生作用的結(jié)果。系統(tǒng)行為是集群整體層面的行為，在行為調(diào)控和自組織作用下，控制無人機集群遂行任務(wù)，是系統(tǒng)自組織特性的具體體現(xiàn)。

無人機集群的集群行為1.325無人機集群需要具備的能力群體智能能力

引入人工智能。感知、運算和決策能力如同一群鳥在空中飛，需要知道方向，位置，地形狀態(tài)等

如何適應(yīng)環(huán)境，如何完成任務(wù)。通信能力

無人機之間通過通信鏈路進(jìn)行信息交互。

航跡規(guī)劃能力

設(shè)計飛行路線，具有一定的冗余度。

1.326任務(wù)環(huán)境的復(fù)雜性。體現(xiàn)在復(fù)雜的對抗性環(huán)境，可能包含多種既有的和突發(fā)的威脅、障礙、極端天氣等。任務(wù)需求的復(fù)雜性。不同的任務(wù)在目標(biāo)、時序約束、時間敏感性約束、任務(wù)指標(biāo)等各個方面均可能存在差異。

無人機集群成員間的差異。組成集群的單個無人機存在運動學(xué)與動力學(xué)特性、功能、信息收集與處理和通信能力等的差異。通信約束的復(fù)雜化。通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化、帶寬受限、通信于擾、通信延時等，甚至可能會出現(xiàn)虛假通信等問題。

無人機集群協(xié)同控制的復(fù)雜性1.327航跡規(guī)劃是無人機編隊飛行的關(guān)鍵技術(shù)。它是指根據(jù)已知的敵情和地形信息在出發(fā)點和目標(biāo)點之間尋找一條綜合指標(biāo)最優(yōu)的飛行路徑。1.地形和敵情的信息處理及建模。需要建立地形數(shù)據(jù)庫，如美國的數(shù)字地形高程數(shù)據(jù)（DTED）。敵情則通過衛(wèi)星和情報手段獲得。無人機集群的航跡規(guī)劃1.3282.威脅突防模型：包括地形地物、電磁干擾、雷達(dá)探測和地空導(dǎo)