從精準農(nóng)業(yè)到災(zāi)害響應(yīng)，空中無人機（又稱無人駕駛飛行器）正變得更智能、更迅捷、更協(xié)同。下一個發(fā)展目標是實現(xiàn)同步飛行。

邊緣計算、無線通信和傳感器融合技術(shù)的近期突破顯著提升了自主機器人系統(tǒng)的性能。與此同時，無人機系統(tǒng)也變得更加復(fù)雜，帶來了新的設(shè)計挑戰(zhàn)，如管理分布式處理、保持低延遲連接和滿足嚴格的功耗限制。

隨著這些系統(tǒng)的不斷發(fā)展，人們的關(guān)注點正轉(zhuǎn)向多機器人協(xié)同領(lǐng)域——成群的自主無人機協(xié)同工作，其任務(wù)執(zhí)行效率遠超單個機體獨立運作。本文將探討無人機與機器人協(xié)同技術(shù)（即所謂的集群機器人技術(shù)）日益廣泛的應(yīng)用。

地點與任務(wù)導(dǎo)航

2022年倫敦白金禧慶典中，無人機編隊形成柯基犬形狀的無人機秀。

集群機器人技術(shù)指大量無人機協(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中，無人機呈現(xiàn)出令人目眩的視覺盛宴（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)的眾多昆蟲物種，在沒有集中控制的情況下仍能作為一個凝聚的整體協(xié)同工作。盡管缺乏整體控制，它們?nèi)阅軈f(xié)調(diào)行動完成復(fù)雜任務(wù)。受此行為啟發(fā)，設(shè)計師們正在開發(fā)機器人群，以在各類應(yīng)用場景中實現(xiàn)新型操作。

工業(yè)中的集群機器人技術(shù)

制造業(yè)是早期采用機器人的領(lǐng)域之一，但當(dāng)時的機器人只是執(zhí)行有限任務(wù)的簡單機械裝置，盡管它們比人工操作更快、更穩(wěn)定?，F(xiàn)代智能工廠要求機器人具備更強的靈活性，能夠應(yīng)對快速變化的需求。這類工廠已開始使用自主移動機器人 (AMR) 執(zhí)行多項任務(wù)，包括物料運輸和訂單揀選。然而，這些機器人通常遵循預(yù)設(shè)路徑運行，其設(shè)計更適合工廠車間這種結(jié)構(gòu)化環(huán)境。

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

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

農(nóng)業(yè)機器人

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面臨廣闊且難以預(yù)測的環(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)正開始用傳感器和數(shù)據(jù)驅(qū)動的決策取代人工勞動，但農(nóng)場中任務(wù)的規(guī)模和多樣性仍然是一個挑戰(zhàn)。[2]

機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)機械不同，機器人集群由大量相對簡單的機器組成。它們之所以實用，是因為能夠在大面積區(qū)域內(nèi)部署，并協(xié)同完成重復(fù)且耗時的任務(wù)。

農(nóng)業(yè)機器人融合了地面系統(tǒng)與空中無人機的優(yōu)勢。地面系統(tǒng)可直接與植物和土壤互動，而空中無人機則能大范圍勘測并實施噴灑作業(yè)。這種組合構(gòu)成了多層級自適應(yīng)系統(tǒng)，可針對獨特的農(nóng)業(yè)環(huán)境進行定制。由于機器人具備移動性，其運作無需依賴固定基礎(chǔ)設(shè)施，因此特別適合在偏遠地區(qū)使用。

機器人集群還具有可擴展性，可快速增減單元以應(yīng)對季節(jié)性需求。因此，該集群構(gòu)成了一支龐大的機器人勞動力隊伍，能在農(nóng)場內(nèi)執(zhí)行大量重復(fù)性作業(yè)而無需集中控制，使農(nóng)戶能夠更多地承擔(dān)監(jiān)督職責(zé)。

基礎(chǔ)設(shè)施維護

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

機器人集群提供了一種兼具機動性與精確性的替代方案，可實現(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)的大型無人機集群，能從多角度進行快速檢測。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)移至下一個檢測點。

空中救援

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

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

傳統(tǒng)地面搜救隊必須應(yīng)對高度危險的環(huán)境。其他風(fēng)險，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人機。這些無人機配備先進的探測系統(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。

這些搜救無人機采用分散式控制系統(tǒng)，使操作員能夠在大范圍內(nèi)同步開展搜索行動，為后續(xù)救援隊伍鎖定潛在生還者。其群體智能技術(shù)可動態(tài)調(diào)整飛行路線，而小型機身設(shè)計則使其能夠安全勘察人類難以進入的危險區(qū)域。

支持技術(shù)

無人機間的通信是實現(xiàn)集群功能的核心需求。集群要作為一個協(xié)同整體運作，必須以極小延遲共享信息。每架無人機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)以及對周邊環(huán)境的觀測信息。

由機器人或無人機陣列產(chǎn)生的海量信息可能對常見通信協(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，又需具備可擴展性。新興的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和專用集群通信標準（如移動自組織網(wǎng)絡(luò)MANET）或可提供解決方案。MANET作為去中心化無線網(wǎng)絡(luò)，無需依賴路由器或無線接入點等預(yù)先存在的基建設(shè)施。

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

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。無人機還必須能在GPS信號受阻區(qū)域正常運作。其他技術(shù)手段——包括超寬帶 (UWB) 通信和基于視覺的同步定位與建圖 (SLAM) 技術(shù)——可確保持續(xù)的定位精度。

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

除了傳感器、通信和定位系統(tǒng)外，無人機還需配備儲能和推進系統(tǒng)。設(shè)計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，能為小型飛行機器人提供能量密度與重量的理想組合。設(shè)計師還需關(guān)注無人機群的作業(yè)環(huán)境：無論是部署于工業(yè)或農(nóng)業(yè)場景，還是用于自然災(zāi)害救援，無人機都必須具備抗風(fēng)、耐雨及耐極端溫度的能力。

未來發(fā)展方向

機器人集群的未來將包括自主任務(wù)規(guī)劃與企業(yè)系統(tǒng)集成等先進功能。在工業(yè)領(lǐng)域，集群將直接對接自動化企業(yè)資源規(guī)劃 (ERP) 和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)完全自主化運作。其他應(yīng)用場景則將提升與人類操作員的協(xié)作水平，包括采用手勢和直接語音等高級指令。

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)的載人飛機共享空域。隨著人工智能 (AI) 的發(fā)展和自主性的增強，倫理與隱私問題隨之浮現(xiàn)，而保持公眾信任對于確保其在日常使用中的廣泛接受至關(guān)重要。

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