无人机集群技术-智能组网与协同 课件 第1章 绪论

无人机集群技术第一章绪论国家级虚拟仿真实验教学一流本科课程jian’y1.1课程导入1.2目录CONTENT课程性质与特色1.3无人机集群概述课程导入1.11.1课程导入4直升机/无人机混合集群协同电磁作战（关键技术：集群组网、群体智能、数字孪生）运输直升机飞赴战区集结无人集群投放无人机集群协同电子侦查目标截获定位无人机集群自主航迹规划协同电磁干扰武装直升机开辟突防通道遂行攻击任务课程导入1.15课程性质与特色1.2课程性质与特色现代计算机技术、通信技术和微电子技术的迅速发展、相互渗透和多元融合形成了信息革命。其中一个重要方面就是现代通信网络技术的产生和发展。无人机集群技术属于通信网络的一个分支，它是“航空和信息”高度交叉融合的科技前沿，涉及飞行器设计与工程（082002）、信息工程（080706）等多个传统工科专业，符合新工科专业建设的发展方向。因此，本课程是一门跨专业、跨学科的学科拓展专业课程。1.27无人机集群是航空和信息高度交叉融合的科技前沿课程性质与特色1.2

小精灵项目

CODE项目

“灰山鹑”项目

LOCUST项目中国电科中国电子科技集团公司成功完成了119架固定翼无人机集群飞行试验，演示了密集弹射起飞、空中集结、多目标分组、编队合围、蜂群行动等动作。8课程主要内容

1、无人机分类与多旋翼无人机；2、无人机集群体系结构与控制架构；

3、无人机集群通信与组网；

4、无人机集群协同控制；

5、虚拟仿真实验。课程学时安排

1、必修：课堂教学28学时+实验教学8学时，共计36学时；

2、选修：实验室开放日，科创，竞赛。培养目标：旨在帮助学生掌握无人机集群相关的基础理论知识。培养探究式的思维方式和解决复杂问题的综合能力，为进一步学习后续课程以及从事相关专业的科学研究、工程技术及管理工作提供必备的理论基础。课程性质与特色1.29集群节点数量多，实验成本高1集群覆盖范围广，空域申请难2易发坠机等事故，实验风险大3结果难重现，不利于探究性教学4无人机集群相关实验教学面临严重困难课程性质与特色1.2102020年国家级一流本科课程：多旋翼无人机装配与群体协同虚拟仿真实验课程性质与特色1.211能实不虚虚实结合多旋翼无人机装配与参数调试无人机集群链路预算与组网无人机集群协同与自主避障实验目的：使学生掌握多旋翼无人机装配与参数调试、无人机集群链路预算与组网、无人机集群协同与自主避障相关技术原理和实验方法，培养学生探究式的思维方式和解决复杂问题的综合能力课程性质与特色1.212无人机PID调参仿真环境中的无人机PID调参无人机集群协同飞行测试仿真环境中的无人机集群协同飞行高阶性创新性挑战度仿真程序和数据来源于科研中的实际程序实测数据课程性质与特色1.213国家级一流课程建设体系无人机集群技术国家级一流本科课程、工信部“十四五”规划教材、高等教育出版社数字课程课程性质与特色1.214无人机集群概述1.3什么是无人机？无人机是无人航空飞行器（UnmannedAerialVehicle,UAV）的简称，是一种由动力驱动、机上无人驾驶、可控制、可执行特定任务的航空飞行器。无人机的发展呈现出以下特点：小型化、智能化；高空化、长行时化；低造价、低损耗。1.316无人机的分类无人机最主要可分为固定翼和多旋翼两大类。1.317单无人机的缺陷单架无人机虽然具有机动性强、隐蔽性强、适应性强等优点，但存在以下问题：在执行任务中，由于各种意外而造成无人机出现故障；侦查范围有限，可能遗漏目标；在覆盖范围、杀伤半径、摧毁能力和攻击精度等方面不足。无人机集群1.318什么是无人机集群由一定数量的单功能、多功能的UAV共同组成。可实现单个平台行为自主决策、平台间行为协同。

在交感网络的支撑下，节点之间进行信息交互与反馈、激励与响应等交感行为。最终产生能力涌现的自主式空中移动系统。

1.319无人机飞行控制方式1.遥控方式。一般利用地面指挥控制系统内的遥控面板和外部遥控协同的方式。需要地面操控人员的参与。3.监控方式的自主飞行。无人机具有自动化程度高的飞控系统，具有在线规划、任务分配、飞行重构等能力。

无人机在飞行过程中完全自主控制、决策和管理，操纵人员只是对无人机状态进行监视、当其出现故障时进行校正。

2.预编程控制。无人机按照机载计算机预先编好的程序飞行，需要简单的机载自动驾驶仪。鲁棒性差，只能执行简单任务。1.320无人机集群适合完成的任务无人机集群需要具有感知、任务分析、规划、推理、决策和动作执行等功能。与单个无人机相比，无人机集群更适合完成以下任务：

区域监测、遍历类任务外界环境过于危险的任务有冗余性的任务

1.321无人机集群的民用场景在民用领域，无人机集群可用于农业植保、航空摄影、应急救灾难和飞行表演等。农业植保：用无人机喷药，防治病虫害。航空摄影：低空无人机集群摄影系统。应急救灾：森林火灾探测、无人机灭火。飞行表演：重大活动的夜间空中灯光秀。1.322无人机集群基于合作策略和协调机制，应具有以下属性：具有自适应、自组织特性具有柔性和鲁棒性具有人为监测干预的受控系统无人机自组织与人弱控制交互作用的动态系统

无人机集群的集群属性1.323无人机集群内部各无人机有目的、有意识的运行/演变活动称为集群行为。

按运行层次及参与无人机个数，集群行为可分为独立行为、

交互行为、协同行为、系统行为；独立行为指未与其他无人机交互而自行发生的行为，一般存在于标志无人机(主节点)。交互行为是集群内无人机间交互与反馈、激励与响应等智能行为，多种形式、多种意图的交互行为产生集群能力。

无人机集群的集群行为1.324

按运行层次及参与无人机个数，集群行为可分为独立行为、交互行为、协同行为、系统行为；协同行为是独立行为和交互行为共同产生作用的结果。系统行为是集群整体层面的行为，在行为调控和自组织作用下，控制无人机集群遂行任务，是系统自组织特性的具体体现。

无人机集群的集群行为1.325无人机集群需要具备的能力群体智能能力

引入人工智能。感知、运算和决策能力如同一群鸟在空中飞，需要知道方向，位置，地形状态等

如何适应环境，如何完成任务。通信能力

无人机之间通过通信链路进行信息交互。

航迹规划能力

设计飞行路线，具有一定的冗余度。

1.326任务环境的复杂性。体现在复杂的对抗性环境，可能包含多种既有的和突发的威胁、障碍、极端天气等。任务需求的复杂性。不同的任务在目标、时序约束、时间敏感性约束、任务指标等各个方面均可能存在差异。

无人机集群成员间的差异。组成集群的单个无人机存在运动学与动力学特性、功能、信息收集与处理和通信能力等的差异。通信约束的复杂化。通信拓扑结构变化、带宽受限、通信于扰、通信延时等，甚至可能会出现虚假通信等问题。

无人机集群协同控制的复杂性1.327航迹规划是无人机编队飞行的关键技术。它是指根据已知的敌情和地形信息在出发点和目标点之间寻找一条综合指标最优的飞行路径。1.地形和敌情的信息处理及建模。需要建立地形数据库，如美国的数字地形高程数据（DTED）。敌情则通过卫星和情报手段获得。无人机集群的航迹规划1.3282.威胁突防模型：包括地形地物、电磁干扰、雷达探测和地空导