CICC科普栏目｜揭秘蜘蛛侠中的反派黑科技——无人机集群

来源：中国指挥与控制学会

今年上映的《蜘蛛侠：英雄远征》作为漫威宇宙第三阶段的收官之作在全球收获了一大波票房。电影中的反转可谓是剧情上最大的亮点，原本预告“骗”中的元素怪物其实不过是真正反派“神秘客”用无人机和全息投影制造的假象。可是你知道吗，这种技术其实离现实并不遥远。今天我们就来介绍一下影片中出现过的无人机集群技术。

　　无人机集群，说简单点，就是一群无人机。不过这个一群无人机可不是随随便便的一群，像是一群人一人手里拿一个遥控器操作一台无人机各飞各的，这种的就只能叫做一群无人机而不是集群无人机。集群无人机中“集群”的概念其实来自于自然界中生物的集群行为，在高中有这样一篇课文，题目是《作为生物的社会》，文中提到的蚂蚁，蜜蜂等生物的集群对外会表现得就像一个生物一样，这就是一种极高度的集群行为。而无人机集群技术就是用计算机算法来使无人机模仿这种行为的技术。让一架架单个的无人机能够通过信息交流，多机协同，来完成更加复杂的任务。基本的集群算法主要也就是将自然界中生物的集群行为抽象而得出的，这点从它们的名字就可以看出来，比如蚁群算法，蜂群算法，鸽群算法，狼群算法等等。 

　　而要实现无人机集群，除了上述的算法，还需要很多其他的技术，我们不妨站在《蜘蛛侠》中神秘客的角度思考，看看控制这样一支无人机大军需要解决哪些难点。

　　首先，是每台无人机的位置问题，在电影中，神秘客控制无人机在伦敦塔桥上投影出了一个巨大的怪物，那么在这个投影过程中，每一台无人机就都需要处在一个特定的位置上。然而如何确保这一点，直到现在都还在不断的研究。而要想解决这个问题，仅仅只靠卫星导航是肯定不行的，暂且不论精度和成本问题，卫星导航确定的是无人机在地球上面的位置，可是一个集群系统很明显还要考虑纵深以及无人机之间的相对位置，就像电影里的无人机不是一片飞过去，而是飞成一堆，或是说一团一样。要解决这个问题，需要在系统内进行事先的规划，然后依靠无人机之间的通信来解决，此外，还可以通过使用计算机视觉识别的方式来确定位置。

　　第二个问题是避障，也就是说，无人机在飞行的过程中如何自动的去自动的躲避障碍。就像是在电影中那么一大群无人机到处飞来飞去的，可是我们却看不到有一架无人机是直接撞到周围的建筑物上撞毁的，这就需要无人机能够自动识别并且避开这些障碍物。

　　解决了上面两个问题，我们还要进行合适的任务规划。在投影怪物的任务中，很明显，每一架无人机的投影内容都是不同的，那么我们要怎么分配每架无人机的投影任务呢?难道是一架一架的编好固定的程序吗？这肯定不行，因为那样的话岂不是和一架一架的操纵没什么区别了吗？而且在这种情况下，万一一架无人机被破坏，那里就会马上出现一个缺口，这不就马上暴露了吗？但很明显，电影中的投影并没有因为蜘蛛侠对无人机的破坏而消失，这就需要之前的任务规划中做好相应的应对措施。

　　总体而言，无人机集群技术，要求我们一次操作的对象是一群，不是一架，也不是一架架，这其中涉及到的，便是无人机之间的通信，无人机对周围环境的感知，以及任务规划的能力等等等等，这些都需要大量复杂的算法来完成，所以，电影中神秘客的团队有那么多人不是没有道理的。

　　说了这么多，那么，我们发展无人机集群技术都可以用来干什么呢？其实，神秘客已经为我们展示了两种最常见的应用：表演和作战。

　　最近几年，无人机编队可谓是越来越常见。从中国的春晚到美国的超级碗，甚至是雅加达亚运会的开幕式，我们在各种表演中经常可以看到无人机表演的身影。这一架架无人机闪着绚烂的灯光，在城市的天空之中不断地变换着各种各样有趣的造型，在难得见到星星的城市里，它们便是夜空中最亮的星。

　　而无人机在作战方面更是具有极大的潜力，这个类比蜂群就可以想象的到了。未来，无人机在反导，反航母，包括无人机对抗等领域都会得到进一步的发展。试想一下，目前的导弹与战机随便一架都要上亿，然而一个一百多架无人机的集群，造价可能只要几百万，那么用无人机拦截的性价比会非常高，并且传统武器对于无人机集群也很难做到完全破坏，而且无人机的制造更加方便，使用者的培训也更快，所以在未来的正常上，或许将会出现双方都是无人机为主的战斗。所幸，我国在集群式无人机方面的研究领先世界，曾经创下过200架固定翼无人机集群的纪录。可以在新时代的作战上，中国正在从以往的追赶变为与世界先进水平齐头并进。

　　当然，无人机集群的应用其实远不止这些，在农作植保，快递物流，勘测救援等方面，集群式无人机都大有可为。在未来，集群化将成为无人机的一个重要发展方向，相信这项技术的发展一定能让我们的生活变得更加美好！

作者：徐若宸

本文来源：科普中国-科普文创

责任编辑：科普云

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