无人机集群组网与控制 课件 第1-5章 无人机系统概述- 无人机组网技术

第1章无人机系统概述1.1无人机的定义与发展1.2无人机的特点1.3无人机的种类1.4国内外主要无人机型号

1.1无人机的定义与发展

1.无人机的定义无人机，一般定义为没有机载驾驶员，自备动力系统，利用无线电遥控设备或自备程序控制装置操纵的航空器，英文表述为UnmannedAerialVehicle，简称为UAV。无人机一般配备了各类传感器(如双目相机、激光雷达等)、计算单元、定位模块和通信模块(图1-1)，能够按照预定的飞行计划进行自主飞行，在飞行过程中实时获取环境状态信息，并对飞行航向与速度进行实时调整。图1-1无人机常见传感器模块

(1)遥控飞行器(图1-2)是一种通过远程遥控设备操控的飞行器，这类飞行器无法搭载人员，仅能通过无线电或者其他远程手段进行飞行控制操作。图1-2遥控飞行

(2)遥控飞机指现代模型飞机，即模拟真实飞机的小型飞行器(图1-3)。图1-3遥控飞

(3)无人机系统是由无人机本身以及任务载荷、测控与信息传输系统、起飞发射与回收系统、地面保障系统等组成的完整系统(图1-4)。图1-4无人机系统

无人机通过无线通信技术可将获取的数据实时传输到地面站或其他设备，使地面站可以远程进行数据收集、监测和传递，以支持各类应用，如军事侦察、环境监测、灾害响应、边境巡检等(图1-5)。

总而言之，无人机是一种具备自主飞行能力、集成多传感器、可实时传输数据的空中飞行器。它们在航空、军事、农业、物流、环境监测等领域被广泛应用，为各类任务场景、特定需求带来了更加便捷的解决方案。图1-5无人机应用示例

自从1917年第一架现代无人机(图1-6)被发明以来，无人机经历了一百多年的发展历程。从最初的无人靶机到如今的军用无人侦察机、无人战斗机，以及在航空拍摄、地理测绘、森林防火、物流运输等领域广泛应用的民用无人机，无人机凭借无人员伤亡风险、生存能力强、机动性能好、使用方便、成本低等优点逐渐受到全球各国的重视与广泛应用。图1-6早期无人机

无人机的发展经历了以下几个主要阶段：

20世纪20年代到60年代是无人机发展的起步阶段，在这一阶段无人机主要被用作靶机。随后，从60年代到80年代，无人侦察机和电子战无人机开始在战场上发挥作用，无人机逐渐进入实用阶段。从90年代至21世纪初，无人机在现代高科技局部战争中得到广泛应用，同时在民用领域也得到迅猛发展。目前，无人机正处于一个快速崛起和蓬勃发展的阶段。

具体而言，无人机的发展主要表现在以下方面：

(1)微小型化。

微小型无人机质量轻、体积小、机动灵活、操作简便、隐蔽性强，具备显著的低空飞行优势，特别适于复杂环境下的小规模任务。

(2)高空长航时。

在军用方面，高空长航时无人机将成为侦察卫星和有人驾驶战略侦

察机的重要补充。

(3)隐身化。

隐身技术是通过研究利用各种不同的技术手段来改变己方目标的可探测

性信息特征。

(4)功能多样化。

除了传统的侦察、攻击等任务，无人机还可以应用于农业植保、环保

监测、物流配送等领域。

(5)智能化。

无人机智能化利用机器学习和深度学习技术，自主地完成诸如目标识别、

自主导航和智能控制等复杂任务。

(6)集群化。

无人机集群化能够克服单一无人机在载荷能力和生存能力上的限制。

总的来说，无人机起源于军事领域，并随着制造成本的下降和信息技术的进步，逐步在民用领域得到广泛应用。未来，随着需求的增长，无人机的种类将更加多样化，并根据不同领域的需求发挥其独特作用，这将持续推动无人机技术的创新和发展。

1.2无人机的特点

1.自主性无人机的自主性可以归纳为以下几点：(1)自主感知能力。(2)自主决策能力。(3)自主执行能力。(4)自我管理能力。

2.低成本

低成本是无人机能够获得广泛应用与发展的重要因素。具体而言，无人机的低成本体现在以下四个方面：

(1)设计和制造过程简单。

(2)运营与维护的成本低。

(3)设备和组件的成本低。

(4)代码开源且平台共享减少了开发工作量和成本。

3.机动灵

相比有人机存在的机动性能限制与过载限制，无人机只需要考虑材料的承受能力，因而其设计过载可达有人机的两倍以上，可以实现大加速度、大角度的机动飞行，从而拥有高度灵活的姿态控制和自由穿梭能力。

无人机的机动性强还表现在起降灵活方面。

部分无人机还具备垂直起降的能力，这使得它们能够在极其狭小的特殊环境中操作。这些多样化的起降方式极大地提高了无人机在不同场景下的适应能力。

4.多功能性

无人机可以根据任务需求进行定制化配置，选择不同的传感器和功能载荷，进而广泛适应于不同的应用场景，展现出多功能性的特点。

在军事领域，通过搭载各种传感器和设备，无人机可以高空俯瞰并实时传输图像，提供战场情报和目标侦察。此外，无人机可以搭载精确制导武器，执行攻击任务。无人机还能够在复杂的战场环境中进行电子对抗，对敌方通信系统进行干扰与破坏。

在民用领域，无人机通过搭载高分辨率摄像机及其他传感器，能够服务于地形测绘、土地勘测、城市规划等多种场景。

1.3无人机的种类

随着无人机技术的逐渐成熟，为了适应不同的任务场景需要，无人机的种类日渐增多。不同类型的无人机用途不同并且差异明显，因此，无人机的归纳与分类也显得更加重要。无人机的分类可以基于多个角度进行，具体包括无人机的平台构型、重量、飞行速度、活动半径、实用升限和应用领域等不同角度，如表11所示。

1.按照平台构型分类

固定翼无人机、无人直升机和多旋翼无人机均属于依靠空气动力学原理飞行的且重于空气的航空器。

固定翼无人机(图1-7)通常配备有流线型的机翼，这些机翼在与前进中的空气相互作用时，能够产生向上的升力。

这种设计赋予了固定翼无人机快速的飞行速度、长远的航程和强大的载荷能力，使其成为无人机领域的一种重要类型。图1-7固定翼无人机

多旋翼无人机(图1-8)通常具有三个或更多旋翼，例如四旋翼、六旋翼或八旋翼。通过控制不同旋翼的转速和推力，可以实现飞行、悬停、转向和姿态控制，操作简单、成本较低、可靠性强。另外，多旋翼无人机成本较低，飞行震动非常小，一般通过无线电遥控或机载计算机实现远程控制飞行，在民用和军用领域具有显著需求，特别是大中型多旋翼无人机。图1-8多旋翼无人机

无人直升机(图1-9)是由动力系统驱动旋翼来产生升力或者前进动力的无人航空器，具有较高的灵活性，可以实现垂直起飞、垂直降落和空中悬停等功能。无人直升机由一个或两个具有动力的旋翼提供升力，并主要靠旋翼周期变距等形式实现对飞行的操控。一般来说，无人直升机的载荷、续航时间和抗风性能等指标要优于多旋翼无人机。无人直升机具有的垂直起降和悬停能力，使得它可以在狭小的空间中飞行和执行任务。同时它们可以在城市、山区、森林等复杂地形中灵活机动地飞行，提供视角广阔的空中观察和监测功能。图1-9无人直升机

此外，基于平台构型分类的无人机还包括无人飞艇(图1-10)、伞翼无人机(图1-11)和扑翼等仿生无人机(图1-12)。图1-10无人飞艇图1-11伞翼无人机图1-12扑翼无人机

2.按照重量分类

无人机按照重量可划分为大型无人机、中型无人机、小型无人机、轻型无人机和微型无人机，具体来说：

(1)大型无人机是指最大起飞重量大于150kg的无人机。

(2)中型无人机是指最大起飞重量大于25kg但小于150kg的无人机。

(3)小型无人机是指空机重量不超过15kg且最大起飞重量不超过25kg，具备符合空域管理要求的空域保持能力和可靠监视能力，全程可以随时人工介入操控的无人机。

(4)轻型无人机是指空机重量不超过4kg且最大起飞重量不超过7kg，最大平飞速度不超过100km/h，具备符合空域管理要求的空域保持能力和可靠监视能力，全程可以随时人工介入操控的无人机。

(5)微型无人机是指空机重量小于0.25kg，最大飞行高度不超过50m，最大平飞速度不超过40km/h，无线电发射设备符合微功率短距离技术要求，全程可以随时人工介入操控的无人机。

大中型无人机主要应用于军事打击、通信中继等领域，例如图1-13所示为整机重约727kg的美国RQ-5“猎人”无人机，图1-14所示为空机重约6781kg的美国“全球鹰”无人机。轻型无人机的优秀代表有整机重2.7kg的美国RQ-14“龙眼”无人机(图1-15)。微型无人机因其便于携带，适用于街巷作战等应用场景，例如图1-16所示为重量仅有16g的挪威“黑蜂”无人机。图1-13美国RQ-5“猎人”无人机图1-14美国“全球鹰”无人机图1-15美国RQ-14“龙眼”无人机图1-16挪威“黑蜂”无人机

3.按照飞行速度分类

按照飞行速度分类，无人机可分为中低速无人机、亚声速无人机、跨声速无人机、超声速无人机和高超声速无人机，具体如下：

(1)中低速无人机：飞行速度一般小于0.3马赫。

(2)亚声速无人机：飞行速度一般在0.3~0.7马赫。

(3)跨声速无人机：飞行速度一般在0.7~1.2马赫。

(4)超声速无人机：飞行速度一般在1.2~5.0马赫。

(5)高超声速无人机：飞行速度一般大于5.0马赫。

目前已经投入使用并且较为成熟的无人机大多数是中低速无人机和亚声速无人机，能达到跨声速及以上速度的无人机还较少，高超声速无人机几乎还都处在试验研发阶段，它们的使用仍然有很大的不确定性。图1-17所示为最大飞行速度达3.35马赫的美国D-21超声速无人机。图1-18所示为最大飞行速度为9.6马赫的美国NASA的X-43A高超声速无人机。图1-17美国D-21超声速无人机图1-18美国NASA的X-43A高超声速无人机

4.按照活动半径分类

按照活动半径分类，无人机可分为超近程无人机、近程无人机、短距无人机、中距无人机和远程无人机，具体如下：

(1)超近程无人机：活动半径为5~15km。

(2)近程无人机：活动半径为15~50km。

(3)短程无人机：活动半径为50~200km。

(4)中程无人机：活动半径为200~800km。

(5)远程无人机：活动半径大于800km。

各级活动半径的无人机均可用于侦察和监视，中远程无人机还可以执行通信中继或者对敌打击。图1-19和图1-20所示为用于侦察监视的超近程无人机和活动半径可达3900km的以色列“苍鹭”无人机。图1-19超近程侦察监视无人机图1-20以色列“苍鹭”无人机

5.按照实用升限分类

按照实用升限分类，无人机可以分为超低空无人机、低空无人机、中空无人机、高空无人机和超高空无人机，具体如下：

(1)超低空无人机：实用升限为0~100m。它们主要应用于近距离观察、监测和数据收集，如航拍、农业与环境监测、电力线路巡检等。

(2)低空无人机：实用升限为100~1000m。低空无人机与超低空无人机的适用场景相近(图1-21)。图1-21电力线路巡检低空无人机

(3)中空无人机：实用升限为1000~7000m。它们具备较长的续航能力和较大的有效载荷容量，可以执行更复杂的任务，如边境巡逻、资源勘测等。

(4)高空无人机：实用升限为7000~18000m。它们具备更长的续航能力和更大的飞行范围，常用于执行大范围监测、通信中继、气象观测等任务以及用于科学研究、军事侦察等领域(图1-22)。

(5)超高空无人机：实用升限大于18000m。它们具备高度耐受、气压自适应和通信稳定等特性，适用于大气观测(图1-23)、卫星模拟等任务。图1-22MQ-4C海神侦察机图1-23超高空太阳能无人机

6.按照应用领域分类

依据无人机的具体应用领域分类，可将其划分为军用无人机和民用无人机。

1)军用无人机

(1)侦察无人机是指专用于获取情报信息的无人机，通常会安装一种或多种侦察设备，深入敌人阵地或敌后进行空中侦察，将所获得的信息传送回地面站，为军事活动提供参考。随着高新技术的发展和应用，侦察无人机的自身飞行性能及设备性能在不断地提高，其已成为侦察卫星和有人侦察机的重要补充。MQ-9无人机(图1-24)是美军大量使用的侦察无人机，可以从军舰和陆地起降，进行低空长航时侦察，为指挥官提供全面精确的信息。图1-24美国MQ-9无人机

(2)无人靶机是在军事训练中用于模拟飞机、导弹和其他各种飞行器的无人机。它主要应用于评估对空武器性能、训练战斗机飞行员与防空武器操作员等方面，其在测试武器系统的打击效果及实际演练中表现良好，在军事领域发挥着重要作用。BQM-167(图1-25)是美国空军的一款无人靶机，长度为6.1m，翼展为3.2m，最高速度为0.93马赫，最大起飞重量为646kg，该无人机使用火箭助推起飞，使用降落伞系统在陆地或海上回收。图1-25美国BQM-167无人靶机

(3)诱饵无人机主要可用于诱使敌方电子干扰设备开机，从而获取对方雷达的波段、坐标等有关信息，还可用于迷惑并消耗敌人对己方具有较大威胁的防空武器等方面。ADM-20诱饵无人机(图1-26)通常安装有专用的电子设备，以具有与被模拟的目标相似的机动性能，并发出模拟目标的“电子图像”。图1-26ADM-20诱饵无人机

(4)攻击无人机通常携带小型、大威力的精确制导武器执行打击任务，作战效能优异，可以有效攻击、拦截地面或空中目标。美国“复仇者”无人机(图1-27)可以携带武器载荷，机翼、机身下部的六个挂载点也可携带武器或其他任务设备。图1-27美国“复仇者”无人机

(5)电子对抗无人机是装载电子设备、执行电子侦察与干扰任务的无人机，其主要目标是探测和干扰敌方指挥通信系统、作战飞机和地面雷达等各种电子设备。伊朗“卡曼19”电子对抗无人机(图1-28)可以使敌人的通信和光电系统宕机，从而使敌人处于混乱状态，无法协同作战。图1-28伊朗“卡曼19”电子对抗无人机

2)民用无人机

(1)巡逻无人机(图1-29)以其可靠性强、巡逻范围广的特点，在校园、社区等公共场合和交通执法中发挥着重要作用。图1-29巡逻无人机

(2)农用无人机(图1-30)通过获取高清农田图像数据以分析田间作物的生长情况，使农业生产实现实时监测和预测。其可以搭载多种对地传感器，在播种、授粉、施肥等方面具有成本低、效率高、安全环保、对作物破坏性低等优势。图1-30农用无人机

(3)气象无人机(图1-31)是近年来新兴的一种能够进行气象探测和作业的无人飞行器。相比于气象卫星，气象无人机的飞行高度更低，拍摄的图像更加清晰，能够获得更为准确即时的气象数据;相比于人工气象监测，气象无人机更加快速灵活，能够在恶劣天气条件下实现实时监测。图1-31气象无人机

(4)消防无人机(图1-32)可在火灾现场进行灾情侦查、监控追踪、辅助救援等工作，为消防部队的救援抢险带来极大的帮助。此外，消防无人机还能通过携带灭火弹、灭火剂等消防设备直接灭火，而无需消防员进入火场，成为未来消防领域的重要工具。图1-32消防无人机

(5)测绘无人机(图1-33)主要用于国土测绘、环境监测、农林分析、水利监测等方面，相比于传统的人工作业模式更加高效精确。测绘无人机利用高清相机或激光雷达采集图像数据，既可以减少工时工序，又可以降低技术人员的劳动强度，提高了测绘任务的完成效率。图1-33测绘无人机

(6)物流无人机(图1-34)凭借其快速、高效的运输能力，能够快速可靠地实现物资的运输与配送，正在为物流行业带来天翻地覆的变革。它们能够有效减轻城市交通拥堵、提高交货速度、降低运输成本，实现更加高效的物流网络。图1-34物流无人机

1.4国内外主要无人机型号

1.国内民用无人机1)精灵4多光谱版无人机由深圳市大疆创新科技有限公司(以下简称“大疆”)生产的精灵4多光谱版无人机(图1-35)在农业、环保等领域应用广泛，其采用多光谱图像传感器、一体式多光谱成像系统，并搭载厘米级定位系统。图1-35精灵4多光谱版无人机图1-36经纬M300RTK型无人机

2)经纬M300RTK型无人机

由大疆生产的经纬M300RTK型无人机(图1-36)广泛应用于巡检、安保、测绘、土地规划等多个领域。其作为长续航和高机动性的飞行平台，配备混合传感器负载，可完成设施巡检、安全保障以及数字化无人管理等多项任务。图1-36经纬M300RTK型无人机

3)CW-007型垂直起降固定翼无人机

由成都纵横自动化技术股份有限公司生产的CW-007型无人机(图1-37)可广泛应用于农业、监控等领域。其特点在于采用了多旋翼与固定翼结合的复合翼布局形式，采用背包式设计并配备一体化系统。借助L1自适应控制算法，该无人机能够实现全自动化操作和智能化飞行，为用户带来高效与便利的服务。图1-37CW-007型垂直起降固定翼无人机

4)ZT-3V型垂直起降固定翼无人机

由零度智控智能科技有限公司(以下简称“零度智控”)生产的ZT-3V型无人机(图1-38)广泛应用于安防、侦查等领域。该型无人机结合了高空视觉惯导、飞控平台、防干扰通信信号以及双卫星导航系统，实现高精度的河道管理、楼宇巡查、道路车辆管理、突发事件预警等功能，以及对目标区域内人、车、物的识别和实时画面跟踪。图1-38ZT-3V型垂直起降固定翼无人机

5)X6型多旋翼无人机

由天津中翔腾航科技股份有限公司生产的X6型多旋翼无人机(图1-39)可应用于电力巡检、消防监控和地形勘探等场景。该型无人机搭载高清摄像头及红外热像仪，配合工业级地面站可完成实时数据传输，实现日间高清成像和夜间精确成像。图1-39X6型多旋翼无人机

6)CD-15型植保无人机

由无锡汉和航空技术有限公司(以下简称“汉和公司”)生产的CD-15型植保无人机(图1-40)可搭载轨迹记录仪，统计喷洒覆盖率，同时对漏喷和复喷进行警告，并通过采用全球定位系统(GlobalPositioningSystem，GPS)、气压和加速度的多参数定位技术，实现自动航路规划、定高与紧急悬停等各种控制功能，其任务载荷(载药量)可达15kg，工作12~15min可喷洒20~30亩地。图1-40CD-15型植保无人机

7)F420型警用无人机

由广州市华科尔科技股份有限公司(以下简称“华科尔公司”)生产的F420型警用无人机(图1-41)可应用于安防与侦查等领域。其采用2.4G和5.8G双频远距离传输系统，最大图传距离可达9km。其可搭载前视红外避障模块与红外定高系统，降低操作失误率，便于夜间追踪。图1-41F420型警用无人机

表12展示了大疆、中翔腾航、极飞、昊翔和易瓦特等国内公司推出的一系列有影响力的无人机产品。

2.国外民用无人机

接下来重点介绍当前国外知名无人机公司及其生产的典型无人机型号(图1-42、图1-43、图1-44)。图1-42Parrot生产的Anafi(左)与AutelRobotics生产的EvoMAX4T(右图1-43Skydio生产的X2(左)与Wingcopter生产的W198(右)图1-44Kespry生产的Drone2.0(左)与SenseFly生产的EBEE-X(右)

1)Parrot(鹦鹉)

Parrot是一家总部位于法国的无人机公司，他们以其极富创意和高品质的无人机产品而闻名。Parrot无人机在各个领域得到了广泛应用，尤其是在个人用户和教育领域。

2)AutelRobotics(唯拓机器人)

AutelRobotics是一家总部位于美国的无人机制造商，他们致力于为消费者和专业用户提供高质量的无人机产品。AutelRobotics的EVO系列无人机在图像质量和飞行稳定性方面表现出色。

3)Skydio(思凯迪欧)

Skydio是一家总部位于美国的无人机制造商，他们专注于将人工智能技术应用于无人机自主飞行。Skydio的无人机配备了先进的视觉感知系统，能够实现高度自主的飞行和避障功能。

4)Wingcopter(威航科普特)

Wingcopter是一家总部位于德国的无人机公司，他们专注于无人机物流和送货服务。Wingcopter的无人机具有高速飞行和长续航时间的优势，也被广泛应用于紧急救援和医疗物流等领域。

5)Kespry(凯斯普莱)

Kespry是一家总部位于美国的无人机公司，他们专注于为建筑、采矿和农业等行业提供解决方案。Kespry的无人机配备了先进的摄像头和图像处理技术，能够实现高精度的测量和数据分析。

6)SenseFly(森思飞)

SenseFly是一家总部位于瑞士的无人机公司，他们专注于为测绘、农业和环境保护等领域提供解决方案。SenseFly的无人机具备高度自主的飞行控制和精确的传感器技术，在无人机专业市场上享有盛誉。

3.国内军用无人机

国内典型的军用无人机研发生产商包括中国航空工业集团、中国航天科工集团等单位，具体的无人机类别、型号、研发单位/制造商、特点、适用场景等见表13。

4.国外军用无人机

典型的国外军用无人机(图1-45)主要包含察打一体无人机、无人僚机、无人舰载加油机、蜂群无人机和无人直升机等类型。图1-45国外军用无人机

(1)察打一体无人机集侦察和打击功能于一体，能够执行侦察、目标定位和打击等任务，具有灵活的作战能力，可以迅速响应作战需求，实现快速侦察和精确打击。

(2)无人僚机通常作为无人机集群的一部分，主要用于干扰和情报搜集等任务，能够与有人飞机或其他无人机协同作战，提供战场支援，增强战场全局态势感知能力。

(3)无人舰载加油机为有人飞机提供空中加油服务，可有效延长有人飞机的航程，增强有人飞机的作战半径，并提高作战效能。

(4)蜂群无人机以群体方式组织，通过协同合作完成任务，具有自主飞行和集群行动能力，能够执行大规模、高效率的任务，适用于搜索救援、灾害监测、目标追踪等任务场景。

(5)无人直升机具有垂直起降和悬停能力，能够在狭小空间或恶劣条件下执行任务，适用于复杂环境下的任务执行，如城市搜索、紧急救援等需要垂直起降的任务场景。第2章无人机集群概述2.1单一无人机的局限性2.2无人机集群的定义与发展2.3无人机集群的特点2.4无人机集群的应用

2.1单一无人机的局限性

1.技术的局限性1)通信能力无人机需要依赖稳定的通信链路与操作人员保持连通状态，一旦单一无人机发生故障，通信链路将会中断，影响任务的执行。

2)续航能力

由于受到电池技术的制约，采用电池供能的单一无人机的续航能力通常受到限制，电池供能无人机的飞行时间通常仅为几十分钟到几小时，具体取决于机型和任务。这限制了单一无人机在持续性任务中的应用。

3)环境适应能力

单一无人机在极端气候或恶劣天气条件下的性能会受到较大影响，限制了其在一些任务中的可用性。

4)有效载荷能力

单一无人机的有效载荷能力有限，这意味着它们难以携带数量充足的传感器或任务载荷。

5)自主避障能力

尽管自主飞行技术不断进步，但单一无人机的自主避障能力仍然有限，特别是在无法预测所有潜在障碍物的复杂环境中。

2.操作与管理的局限性

1)操作复杂性

操作无人机需要操作人员熟悉掌握飞行控制、导航系统和各类传感器，具有一定的操作难度。以农业应用为例，操作人员需要接受专门培训以使用农用无人机进行作物监测和施肥操作，这要求他们具备基本的无人机操作技巧。

2)任务多样性

单一无人机通常被设计用于执行特定类型的任务，使得其在多样化任务场景中的应用受到限制。例如，在城市区域内既需要追踪某辆可疑车辆，又需要对当前街道的交通状况进行实时监测等复合任务，这超出了单一无人机的处理能力范围。

综上所述，为了克服单一无人机的诸多局限性，有必要在各类应用场景中引入无人机集群，通过多架无人机协同工作，弥补单一无人机的不足，保障通信链路稳定，提高飞行续航能力、增强环境适应能力、提升有效负载能力、改善自主避障能力，拓展无人机的应用领域。

2.2无人机集群的定义与发展

1.无人机集群的定义无人机集群是由一定数量的单功能或多功能无人机共同组成的系统(图2-1)，在信息交互网络的支撑下，各架无人机作为节点进行数据传输，通过机间协同决策，实现任务分工和动态规划，适应动态变化的复杂环境条件，最大限度地完成全局任务目标。图2-1无人机集群示意图

2.无人机集群的发展

集群的概念起源于生物学研究，自然界中，诸如蚁群、蜂群、鱼群、狼群等生物内部存在高度结构化的组织，能够群体协同完成远远超出个体能力的复杂任务，这种现象被生物学家称为集群行为。

无人机集群技术在过去几年里取得了巨大的发展，无人机集群化已成为当前无人机领域最为热门的研究和发展方向。具体而言，通信技术的提升、自主飞行技术的进步、能源技术的改进以及传感器技术的进步，为无人机集群的效能提高带来了显著的作用，也为无人机集群大规模应用于各种领域创造了条件。

现代军事应用场景中的智能化、集群化、信息化、无人化程度越来越高，从阿塞拜疆无人机集群作战，到俄乌冲突中的无人机侦察监视、对地打击，无不体现着上述趋势越来越成为现实。在未来战场中，大量无人系统的加入将进一步促进交战规则演进，促使未来战场向立体化、多维化、全域化和信息化的方向发展。由于战场环境越来越复杂多变，仅凭单一或非成系统的个体参与无法有效地完成全局任务。另外，对于空对地及空对空领域，无人机集群以其机动灵活、成本低、减少我方人员伤亡等突出优势，越来越成为受到关注的作战单位，代替传统的有人驾驶飞机执行各类作战任务。

而在民用领域，无人机集群也有着广泛的应用前景。在物流配送方面，无人机集群可以实现快速、高效的货物运输，有助于缓解交通拥堵等问题。此外，它也被广泛应用于环境监测、灾害救援、农业巡查等多个领域，高效完成各类任务。

2.3无人机集群的特点

动态环境中的无人机集群具有以下属性与特点。(1)自适应与自组织特性。无人机集群分布在高维动态环境中，它们的决策行为在时间上具有并行性和突发性。无人机集群内的个体无人机具有对环境的自适应性与自主决策能力，在不完全信息态势下可实现与通信范围内无人机的信息交互并完成联合决策。

(2)容错性与鲁棒性。系统的容错性与鲁棒性体现在当发生意外事件时，各架无人机针对环境及集群内其他无人机的状态与行为做出相应的调整，最大限度地避免合作任务的失败。

(3)时间敏感性。动态变化的任务环境往往需要无人机集群在线优化任务规划结果，具有较高的时效性要求。当环境和任务需求发生变化时，原有的任务规划结果极有可能失效，因此要求无人机集群能够对外界的突发情况及时响应，在任务的有效时间窗口内完成在线优化。

(4)信息共享性。集群内各无人机之间通过信息共享建立群体信息优势，进而确立决策优势，最大限度地发挥无人机的个体能力，极大地提升无人机集群的整体效能。

无人机集群在军事和民用领域展现了不同的显著优势。其中，无人机集群在军事应用场景中具有以下四个显著优势：

(1)情报获取实时化。

(2)更强的灵活机动性。

(3)更强的防空威慑和干扰能力。

而在民用场景中，相比无人机单机，无人机集群具有以下三个显著优势：

(1)应用场景多样化。

(2)任务协同效率提升。

(3)任务覆盖范围扩大。

2.4无人机集群的应用

1.航空摄影航空摄影(简称“航拍”)是指从空中拍摄地球地貌以获得俯视图，拍摄可以不受地面障碍物遮挡的影响(图2-2)。无人机通过搭载遥感设备，如高分辨率数码相机、光学相机红外扫描仪、激光扫描仪等获取图像信息，并用计算机对图像信息进行处理，再按照一定精度要求制作成图像。航拍中使用的摄像机既可以由摄影师控制，也可以自动拍摄或远程操控。近年来，随着无人机技术的发展，航拍带给人们一个全新的视角，已经成为无人机的主流应用之一。

图2-2无人机航拍的海岸风景

无人机航拍具有以下优势：

(1)云下摄影。无人机受天气和地形影响较小，即使在阴天和轻雾等不理想天气情况下也可以进行拍摄。

(2)图像分辨率高。飞行高度较低，能够获取大比例、高分辨率的图像数据，较好地显示所拍摄物体的轮廓和结构。

(3)操作高效灵活。无人机采取高效快速的操控系统，机动灵活，运行方便，拍摄或测量运行周期短。

(4)低成本高便携。无人机的设备组装及携带都较简便，人工成本较低，飞行安全系数相对较高，更加灵活机动。

可用于航空摄影的典型无人机包括大疆的精灵系列、零度智控的Explorer无人机以及Parrot的AR.Drone无人机等。其中，大疆推出的精灵4作为一体化的智能航拍无人机，它由飞行器、遥控器、云台相机以及配套使用的DJIGOApp组成，如图2-3所示。飞控系统集成于无人机机身，一体式云台位于机身下部。用户可通过安装于移动设备上的DJIGOApp控制云台及相机。高清图传整合于机身内部，可用于高清图像传输。图2-3大疆精灵4无人机

航拍摄影具有广泛的现实用途，如影视拍摄、城市宣传、赛事直播、工程监测等(图2-4、图2-5、图2-6、图2-7)。图2-4影视航拍创作图2-5城市航拍图2-6赛事直播航拍图2-7工程检测航拍

2.农业应用

农业无人机(图2-8)主要运用于植保、施肥、播种、灾害预警、产量评估等领域。农业无人机主要由飞机平台、药械、机载系统、地面站系统及辅助设备组成。图2-8农业植保无人机

具体的典型场景介绍如下：

1)喷洒作业

无人机重量轻、体积小、机动性好，不需要专业跑道，在草坪和平地都能起降，非常适合地形复杂条件下的农作物农药喷雾作业。

2)农田信息监测

无人机农田信息监测主要包括病虫监测、灌溉情况监测及农作物生长情况监测等，通过对大面积农田、土地进行航拍，从航拍的图片、摄像资料中充分全面地了解农作物的生长环境、周期等各项指标，从灌溉到土壤变异，再到肉眼无法发现的病虫害、细菌侵袭，找到出现问题的区域，便于更好地进行田间管理。

3)农业勘察定损

当农作物大面积受到自然灾害侵害时，查勘定损工作量极大，而无人机集群具有机动快速的响应能力、高分辨率图像和高精度定位数据获取能力，并可以搭载多种任务设备与载荷，实现农作物查勘定损的高效执行，如图2-9所示。图2-9无人机航拍查勘定损

3.物流运输

无人机集群在物流业的应用，集中在运输、仓储、配送三大场景。其中，在仓储领域，无人机能通过视觉识别、红外热成像等技术捕捉信息，对货物进行盘点、计数、测量、检视，实现灵活高效的库存管理。在运输与配送环节(图2-10)，无人机凭借灵活性强、速度快、覆盖范围广等优势，可有效化解传统物流模式下人力成本高、配送效率低、覆盖范围有限等问题。由于无人机拥有强大的自主决策能力、感知与避障能力以及抗干扰能力，且在较大程度上不受空间限制，在一些偏远地区或者灾区，无人机也可用于医疗物资配送，为救援工作提供有力支持;此外，无人机也可将农产品从农田或农场直接运输到市场或超市，从而缩短农产品运输时间，提升流通效率。图2-10无人机用于物流配送

4.消防救灾

消防无人机(图2-11)可实现对偏远地区火灾的即时预警，也可以及时准确地监测森林火灾现场的各种动态信息。此外，其也可解决有人机巡护无法夜航、烟雾造成能见度降低无法飞行等问题。由于无人机监测显示出超越传统监测手段的卓越性能，其在林业火灾的监测、预防、扑救、灾后评估等方面得到广泛的应用。通过消防无人机，消防人员可以了解灾区周边的环境信息，更加合理地安排安置点，从而达到科学救援的目的。对于一些高楼失火，消防人员因为火势阻拦不能及时到达失火源，这时就可以使用智能消防无人机，搭载灭火设备通过高空进入火场，控制火源，减小火势蔓延，为消防人员争取救援时间。图2-11消防无人机

5.电力巡查

电力巡查无人机(图2-12)作为电力安全巡查的新型设备，凭借其自动化的航测设备，具有灵敏度高、操作便捷、成本较低等特点，同时还可以克服巡查线路上环境复杂地区所带来的障碍。利用无人机搭载的遥感技术设备和相关的巡检设备，可在电力巡查过程中精确地获取数据，将工作人员的危险系数降到最低。与此同时，无人机还能够帮助工作人员对电路进行日常检测，及时地发现并解决问题，给电力电路提供更加高效的安全保障。图2-12电力巡查无人机

6.气象监测

气象无人机主要测量的气象数据包括温度、气压、湿度、云的类型和大小、能见度、湍流大小和积冰情况等。操作员可在地面控制气象无人机的飞行路线和飞行高度，高效地完成气象数据的收集。尤其对于台风眼和龙卷风眼的追踪，实际进入风眼收集数据十分必要，但其危险性也不言而喻，无人机便成为针对这类极端天气的不可替代的侦测工具。气象无人机(图2-13)还能进入热带上空的平流层，研究平流层水汽影响全球气候的机理与水蒸气和臭氧之间的相互作用。图2-13“希腊海神”气象无人机

7.科学测绘

无人机测绘技术是以航空遥感为基础，利用先进的无人机技术、遥感传感器技术、遥测遥控技术、通信技术、全球导航卫星系统差分定位等技术，在灾害应急处理、基础测绘、土地利用调查和城市规划等方面实现自动化、智能化、专业化的任务处理。测绘无人机(图2-14)具有应用范围广、作业成本低、续航时间长、影像实时传输、高危地区精细探测、机动灵活等优点，是卫星遥感与有人机航空遥感的有力补充，已成为世界各国争相研究的重要方向。图2-14测绘无人机

8.警用领域

凭借着成本低、灵活性高、响应快速的特点，警用无人机(图2-15)可以高效且隐蔽地进行大范围监视并获取数据、发现并跟踪犯罪嫌疑人，在警务中得到了广泛应用。警用领域中无人机的应用可大致分为三个方面：日常巡逻、跟踪侦察与区域监控。图2-15警用无人机

首先，在日常巡逻方面，对于管辖区域大、人口多且分布分散的地区，由于警力不足等因素可能造成巡查疏漏，而无人机可携带多种设备(如高清变焦相机、喊话器、红外设备等)，帮助民警更有效地对地面进行巡查。其次，在跟踪侦察方面，一般使用小型无人机，同时携带可变焦相机，可在不惊动目标的同时进行远程拍摄和监控。此外，无人机也可以搭载红外设备，在夜晚实现对地面交通网络的空中监控与信息收集，帮助警方掌握实时交通动态。第3章无人机集群系统架构3.1概述3.2硬件组成3.3软件组成3.4系统集成与测试

3.1概述

1.无人机集群系统架构的三个功能层将无人机集群系统架构分为三个功能层次：决策规划层、协调交互层与行为执行层(图3-1)。下面将具体介绍每个功能层次的含义。(1)决策规划层：作为集群系统架构的第一层，其输入为全局任务信息，通过对无人机各种传感器信息的融合，确定环境态势以及各架无人机自身位置，并对无人机集群全局任务进行协同分配，其模块功能及工作示意图如图3-2所示。图3-1面向功能层次的无人机集群协作分布式体系结构图3-2决策规划层功能及工作示意图

(2)协调交互层：位于集群系统架构的中间层。在执行任务时，为了防止无人机之间发生冲突，协调交互层在无人机信息交互的协助下，基于多个无人机之间的状态信息和任务分配信息，对无人机集群的空间位置和轨迹、动作状态、任务执行方案进行协调，其模块功能及工作示意图如图3-3所示。图3-3协调交互层功能及工作示意图

(3)行为执行层：处于集群系统架构的最底层。其主要功能是接受来自协调交互层的任务执行方案，并将其转换为对无人机的运动控制指令，从而实现无人机集群的协作行为，合作完成全局任务。模块功能及工作示意图如图3-4所示。图3-4行为执行层功能及工作示意图

综上所述，合理地划分无人机集群系统架构，分析个体与整体的组织关系、功能关系、控制关系和实现任务的逻辑关系，明确系统全局与局部、局部与局部以及局部与外界任务环境之间的相互耦合关系，对研究无人机集群协作至关重要。

2.无人机集群系统架构的两个显著特点

(1)物理上分布：所有无人机在集群内部地位平等，任意一架或多架无人机的加入或退出都不会影响其他无人机的正常运行。无人机集群的核心功能与某一架或多架无人机是松耦合、可柔性重组的关系。

(2)逻辑上分层：集群内所有无人机在逻辑上构成一个分层结构，根据任务的不同，该结构可以进行分解与逐级细化。这样的分层结构能够降低因无人机数量增长导致的无人机集群系统管理和运维复杂性。

3.2硬件组成

无人机集群系统是一个多无人机在开放体系架构下综合集成的分布式系统，它以平台间协同交互和控制为基础，以提升任务协作执行能力为目标，主要由硬件系统与软件系统组成。

1.无人机机体本节以旋翼无人机和固定翼无人机为例，介绍无人机机体组成，具体如下：1)旋翼无人机旋翼无人机的机身系统包括机架、旋翼和起落架，如图3-5所示。图3-5旋翼无人机结构组成示意图

2)固定翼无人机

固定翼无人机主要由机身、机翼、尾翼、起落架等部分组成，如图3-6所示。与多旋翼无人机不同，固定翼无人机依靠机体上的动力装置产生推力或拉力驱动飞机向前运动，从而使得机翼获得升力。

尾翼由垂直尾翼(简称“垂尾”)和水平尾翼(简称“平尾)组成，其作用是保持无人机在飞行中的稳定性并控制其飞行姿态。垂尾一般包含固定的垂直安定面和可偏转的方向舵，其作用是增强无人机在偏航方向上的静稳定性，同时可以控制其在偏航方向上的运动。平尾由固定的水平安定面和可偏转的升降舵组成，水平安定面可以提升无人机的纵向静稳定性，升降舵用来控制无人机的俯仰运动。

图3-6固定翼无人机结构组成示意图

2.地面站设备

无人机地面站(图3-7)是无人机集群系统的指挥控制中心。它通常由计算机、显示器、电源系统、电台、遥控装置控制台等设备组成。地面站用于控制无人机飞行并监控其飞行状态，可执行包括任务规划、航迹规划、飞行参数设置和指令下达等功能任务。民用无人机的地面站相对简单，尤其是消费级无人机的地面站，实际上主要由控制手柄或者是安装了配套软件的平板电脑或智能手机组成。图3-7一种典型的无人机地面站

地面站的主要组成如下：

(1)计算机系统：大型无人机地面控制站通常配备一台强大的计算机系统，其配置包括高性能的多核处理器、大容量内存和高分辨率显示器。该系统通常用于控制软件运行、传感器数据监视、实时数据分析以及飞行路径规划。

(2)控制台和操作设备：操作员通常使用控制台和操作设备与无人机进行交互。这些设备可能包括操纵杆、键盘、鼠标、触摸屏显示器以及其他输入设备。一些地面控制站还可以支持虚拟现实或增强现实头盔，以提供更直观的操作界面。

(3)通信设备：地面站具备强大的通信设备，以实现数据传输和对无人机的命令控制。通信设备可以支持射频通信、卫星通信、地面网络通信和移动通信等技术，以实现实时控制和数据传输，确保无人机的安全和可靠运行。

(4)显示和监视设备：地面站通常配备多个高分辨率显示屏，用于显示无人机的实时图像、地图、传感器数据和任务信息。这些显示设备为操作员提供全局环境信息与无人机自身状态信息，并支持飞行控制与任务监视。

(5)电源供应设备：地面站需要可靠的电源供应，以确保其持续运行，其中包含应急发电系统和电池备用电源，以应对突发情况。

(6)数据存储设备：地面站需要大容量的数据存储设备，用于存储历史任务数据、传感器数据、地图和无人机状态信息，以支持后续数据分析和报告生成。

(7)遥控器：操作员可以使用遥控器来控制无人机的飞行和任务执行。遥控器通常包括操纵杆、按钮和触摸屏，以实现不同级别的控制。

3.通信模块

无人机集群的通信模块是其核心组成部分之一，是无人机集群的神经中枢，负责支无人机之间数据的传输和指挥控制指令的传输。这一模块通常需要支持高可靠和低时延的数据传输。通信模块主要包括各类天线和调制解调模块，具体如下。

1)天线

天线在通信硬件中发挥着至关重要的作用，它决定了信号的发射和接收效率。在无人机集群中，常见的天线主要有以下两类：

(1)全向天线(图3-8)主要适用于短距离通信，将信号以360°发射或接收，常见于控制和数据链路。

图3-8全向天线示意图

(2)定向天线(图3-9)主要适用于长距离通信，能够定向发送或接收信号，并提高通信范围，增强信号强度。图3-9定向天线

此外，一些无人机集群采用可旋转和可调整的天线构成的天线跟踪系统(图3-10)，实现对无人机的跟踪并优化通信质量。图3-10无人机天线跟踪系统

2)调制解调模块

无人机的调制解调器主要由射频前端和基带处理器两部分组成。射频前端是调制解调器的基础部分，主要包含天线、射频接收机和射频发射机等组件，主要用于接收和发送无线信号。基带处理器是调制解调器功能实现的主要部分，负责对接收到的射频信号进行解调和调制。在接收端，它将射频信号转换为数字信号，并进行解调和解码以提取数据。在发送端，它将数字信号转换为射频信号，并进行调制以生成发送信号。

无人机通信主要基于以下4种方式：WI-FI、自组网电台、蜂窝基站和卫星中继，具体介绍如下：

(1)WI-FI是一种相对成熟的通信手段，可实现无人机与地面站、手机、平板电脑等设备之间的近距离连接。WI-FI通信的传输距离一般在几十米左右，且易受到电波干扰，信号容易中断，因此不适用于远距离的无人机通信(图3-11)。图3-11无人机WI-FI通信

(2)自组网电台主要利用无线电波来实现无人机之间以及无人机与地面站之间的自组织通信，其主要工作在2.4GHz或者5.8GHz频段。为了防止信号干扰，在自组网电台中通常引入跳频的方式。无人机自组网电台通信的范围取决于天线的增益、功率以及周围的电波干扰情况。一般来讲，该方式的通信范围在几km到几十km不等(图3-12)。图3-12无人机机载电台

(3)基于蜂窝基站的无人机通信(图3-13)指的是使用4G或5G蜂窝基站的方式进行通信。该通信方式具有覆盖范围广、数据传输速率高等优点，蜂窝基站网络已经覆盖了大部分地区，无人机只要处于信号覆盖范围内，就可以进行通信，无须建立额外的专用通信基础设施；而该方式主要缺点有延迟较高、易受到干扰、依赖网络覆盖等。图3-13无人机蜂窝基站通信

(4)基于卫星中继的无人机通信(图3-14)主要利用卫星网络实现无人机与地面站之间的连通，能够满足无人机的远距离传输需求，同时具有较高的安全性和可靠性，适用于无地面基础设施的环境。基于卫星中继的无人机通信的局限性在于：

①卫星通信的建设和运营成本较高；

②传输信号需要经过卫星的中转，远距离会产生较大的信号延迟；

③空天通信信道容易受到天气因素的影响，如大风、大雨、暴雪等，影响通信质量。图3-14无人机卫星通信

4.感知模块

无人机集群的感知模块主要分为导航传感器和环境传感器。导航传感器主要负责收集运动状态信息并发送给飞行控制系统，环境传感器主要负责感知和采集环境数据，包括图像、声音、气象信息等数据，采集到的数据将用于导航、目标检测和动态避障等任务。

导航传感器(图3-15)具备高精度、高可靠性和适应多样化任务需求的能力，具体包括加速度计、陀螺仪、罗盘和气压计等。其中，加速度计用于检测无人机的加速度，陀螺仪用于检测无人机的角速度，罗盘负责检测无人机的航向，气压计用于检测无人机的高度。通过这些传感器，飞行控制系统能够实时获取无人机的运动状态信息，实现对无人机飞行状态的评估，进而控制无人机飞行。图3-15无人机常见的导航传感器

1)图像传感器

图像传感器(图3-16)包括RGB摄像头、红外摄像头、全景相机等。其中，RGB摄像头可用于捕捉彩色图像，通常用于环境感知、目标检测和监视任务；红外摄像头可以检测红外辐射，用于夜间或低能见度条件下的目标识别和热成像；全景相机可用于创建全景图像，有助于无人机更好地理解周围环境。图3-16无人机图像传感器

2)气象传感器

气象传感器(图3-17)用于感知大气条件，包括温度、湿度、气压、风速和风向。这些数据对于无人机的稳定性和飞行性能至关重要。其中温度和湿度传感器可用于测量空气温度和湿度，有助于无人机在不同气象条件下进行稳定飞行；气压传感器可用于测量大气气压，提供高度信息，对于高度保持和定位至关重要；风速和风向传感器可用于测量风速和风向，为规划飞行路径提供指导。图3-17无人机气象传感器

3)光电雷达

光电雷达(图3-18)使用激光光束测量物体的形状和相对距离，对于精确的地形建模、避障和目标检测至关重要。光电雷达传感器可以检测地面和空中目标，包括车辆、建筑物和其他障碍物，从而帮助无人机进行目标监测和障碍规避。此外，光电雷达还可以用于创建精确的地形模型，对于地理信息系统开发和地图制作具有重要意义。图3-18无人机光电雷达

4)红外传感器

红外传感器(图3-19)可用于红外辐射测量、热成像和目标检测，其热成像功能可以显示物体的热分布，对于搜索和救援任务非常重要，也可用于识别和追踪动态目标。图3-19无人机红外传感器

5.飞行控制模块

无人机的飞行控制模块是无人机的核心模块之一，主要构成为飞行控制计算机与飞行执行器。具体介绍如下：

1)飞行控制计算机

飞行控制计算机负责接收来自各种传感器的数据，计算飞行姿态和控制指令，并将控制指令发送给飞行执行器。飞行控制计算机通常配备有多个传感器接口和数据处理单元，以及嵌入式处理器和数据存储器。当前最流行的飞行控制计算机为Pixhawk(图3-20)，是开源飞控硬件厂商3DR推出的一种开源飞控硬件平台。图3-20Pixhawk6x

2)飞行执行器

飞行执行器负责将飞行控制计算机计算出的控制指令转化为机械运动，控制无人机的姿态、推进力和航向。飞行执行器主要包括电动机和螺旋桨、舵机和伺服机构。其中，电动机和螺旋桨用于产生升力和推力，进而控制无人机升降和前进；舵机主要用于控制无人机的姿态，包括横滚、俯仰和偏航；伺服机构主要用于控制无人机的姿态、飞行方向和飞行稳定性。

6.能源动力模块

能源动力模块包含燃油驱动和电动力驱动两种方式。不同应用场景的无人机对动力装置的要求不同，但都需要发动机在体积小、成本低的同时尽量保证任务执行过程中的高可靠性。

1)燃油动力

燃油发动机是长航时、大动力的飞行保障。其中，民用无人机多使用活塞式发动机；无人靶机一般使用涡喷式发动机；低空无人直升机一般使用涡轴发动机；高空长航时的大型无人机一般使用涡扇发动机。

2)电动力驱动

电动力驱动的动力系统由螺旋桨、无刷电机、电子调速器、电池、充电器等共同构成，主要用在多旋翼无人机中。螺旋桨是最终产生升力的部分，由无刷电机驱动，整个无人机以螺旋桨的旋转获得升力。在多旋翼无人机中，螺旋桨与电机进行直接固定，螺旋桨的转速等同于电机的转速。无刷电机必须在无刷电子调速器的控制下进行工作，将电能转换为机械能并最终获得升力。电子调速器由电池供电，将直流电转换为无刷电机需要的三相交流电，并对电机进行调速控制。电池是整个系统的电力储备部分，负责为整个系统供电。充电器作为地面设备，负责为电池进行供电。电动力驱动中各组件间的关系如图3-21所示。图3-21电动力驱动中各组件间的关系

7.数据存储与处理模块

无人机集群在工作中能够生成大量异构数据，包括图像、视频等各类传感器数据和飞行日志。数据存储和处理模块负责存储和处理这些数据，以支持无人机任务的执行。该模块需实现高效、高可靠和安全数据处理和存储，主要可分为数据存储设备和数据处理设备。

1)数据存储设备

数据存储主要包括以下几种类型：

(1)硬盘驱动器。传统的机械硬盘驱动器用于存储大容量数据，如高分辨率图像、视频和传感器数据。它们通常具有较大的存储容量，但速度相对较慢。

(2)固态硬盘。固态硬盘使用闪存技术，具有更快的读写速度和更低的延迟，适用于需要快速数据访问的任务，也可用于临时数据存储和高性能计算任务。

(3)网络附加存储。该设备(图3-22)可以提供大容量的数据存储，并通过网络共享数据，实现集群中多个无人机对数据的访问和备份。

(4)云存储。云存储服务允许无人机集群将数据上传到远程云服务器，实现数据备份、共享和远程访问。云存储具有高可扩展性，可以应对不断增长的数据需求。图3-22网络附加存储设备

2)数据处理设备

数据处理功能的实现主要由以下几种类型的硬件设备支撑(图3-23)。

(1)中央处理单元。中央处理单元是计算机的大脑，负责执行各种数据处理任务，包括数据解码、图像处理、传感器数据分析和任务规划。

(2)图形处理单元。图形处理单元专用于高性能图形和并行计算，如深度学习和计算机视觉领域的工作。在无人机目标检测和图像识别方面具有重要作用。

(3)协同处理器。一些无人机集群系统可配备专门的协同处理器，用于加速特定任务的计算，如加密解密、数据压缩等。

(4)分布式计算。在大规模无人机集群中，分布式计算架构可以使用多个计算节点，并行处理大规模数据，提高数据处理速度和性能。图3-23无人机数据处理设备

8.安全模块

无人机集群系统的安全模块(图3-24)是确保无人机在执行任务期间安全、可靠运行的核心功能模块，包含飞行安全和数据安全。典型的安全模块如下：

(1)防碰撞系统。无人机集群系统通常配备防碰撞系统，包括雷达、超声波传感器和光学传感器，用于监测周围障碍物，采取相应措施以避免碰撞。

(2)数据加密设备。通信与存储设备通常需要具备数据加密功能，以保护数据机密性。该类设备使用强加密算法，防止未经授权的访问和数据泄露。

(3)GPS反干扰设备。无人机可能受到GPS干扰，从而影响导航精度。因此，系统配备的GPS反干扰设备能够提高导航性能的可靠性。图3-24无人机集群配备的安全模块

综上所述，无人机集群硬件系统涵盖了感知、通信、控制、能源、数据存储与处理等多个领域。各个模块协同工作，确保无人机能够安全、高效地执行各种任务。在未来，无人机集群硬件系统将不断发展，相关技术的进步与创新将持续推动无人机集群应用落地，以满足不断增长的实际需求，包括物流、监测、军事和应急救援等。

3.3软件组成

无人机集群系统中，软件组成主要包含以下几部分。(1)数据传输系统。负责提供集群内部和外部的通信连接，以便无人机之间的协同工作和无人机与地面站的通信等交互行为。这部分软件还负责数据传输和通信协议的管理，确保及时、可靠的信息交互。

(2)飞行控制系统。负责管理和控制无人机的飞行操作，并具有导航、姿态控制、路径规划和执行等功能。飞行控制系统能够确保无人机之间的协同工作，并提高无人机对环境的适应能力。

(3)数据存储与处理系统。负责存储和处理从无人机和传感器中获取的数据。这包括对收集到的图像、传感器数据等进行处理和分析，以支持系统的决策制定和任务执行。

(4)用户界面与人机交互系统。负责提供用户与无人机集群系统进行交互的界面。这包括图形用户界面和其他交互式工具，使操作人员能够监控和控制整个集群，同时获取实时信息和执行必要的指令。

(5)任务规划与执行系统。负责自主规划无人机航线、分配全局任务、集群协同飞行等功能，实现无人机集群的碰撞规避、队形保持和全局任务规划。

1.数据传输系统

数据传输系统(图3-25)是指实现无人机集群之间以及无人机集群与地面站之间的信息交换和共享的软件系统，其可根据无人机集群的任务需求和环境条件，为每个无人机提供可靠、稳定、高效、安全的通信服务，并与地面站联合实现指令接收、数据回传、状态反馈等功能。数据传输系统采用多种通信技术和协议，如无线自组网、软件定义网络、延迟容忍网络、认证加密、数据融合等，它还涉及无人机集群的通信链路、通信协议、通信安全、数据(解)封装、数据融合等功能。图3-25数据传输系统示意图

2.飞行控制系统

无人机飞行控制系统是一种专门设计的用于控制无人机飞行的软件系统，它通常由飞行控制算法、导航系统、飞行参数调节、数据传输和处理等模块组成。这些软件系统能够实现无人机的自主飞行、路径规划、避障、图像识别等功能，以满足各种应用场景的需求。

1)PX4AutoPilot

PX4AutoPilot(图3-26)是与平台无关的自动驾驶仪软件，由苏黎世联邦理工大学的科研团队研发，可以驱动无人机或无人车。它可以被烧写在硬件(如Pixhawkv2)上，并与地面控制站一起组成一个完全独立的自动驾驶系统。图3-26PX4AutoPilot

2)ArduPilot

ArduPilot(图3-27)支持多种平台，包括固定翼、多旋翼等平台。该飞控系统采用C++语言编写，并提供丰富的功能和可扩展性。ArduPilot可以用于控制各种无人机和机器人，并支持多种传感器，包括GPS、陀螺仪、加速度计、气压计、罗盘和摄像头等。它具有丰富的功能，包括飞行控制、导航、图像处理、遥控器接入、地面站接入和固件更新等。图3-27ArduPilot飞控板

3.数据存储与处理系统

数据存储和处理系统(图3-28)是指实现无人机集群数据的保存、管理、分析、挖掘等功能的软件系统，它涉及无人机集群的数据采集、数据传输、数据压缩、数据融合、数据挖掘、数据可视化等功能。其主要目的是根据无人机集群的任务需求和环境条件，为每个无人机提供高效、安全、可扩展的数据服务，保障无人机在任务中所获取数据存储的可靠性，充分利用数据来提高无人机集群执行任务的效率和质量，以及发现数据中的潜在价值。数据存储和处理系统采用多种数据技术和方法，如云计算、边缘计算、物联网、区块链、人工智能等，以解决无人机集群的异构、动态、不确定、大规模等核心问题。图3-28无人机集群与数据中心进行数据交互

4.用户界面与人机交互系统

用户界面与人机交互系统是指实现无人机集群与人类用户之间的信息交换和指令控制的软件系统，其主要功能是根据无人机集群的任务需求和环境条件，为人类用户提供友好、直观、高效、智能的交互方式，使得人类用户能够方便地监控和控制无人机集群的运行状态和任务执行，以及获取和分析无人机集群的数据和信息。用户界面和交互系统软件采用多种交互技术和设备，如语音控制、手势控制、头盔显示器、触摸屏、遥控器、智能手机等，发挥着衔接操作员和无人机集群之间的桥梁作用(图3-29)。图3-29各种人机交互方式

5.任务规划与执行系统

任务规划和执行系统是指实现无人机集群在不同的任务场景下进行有效协同作战的软件系统，主要功能为根据无人机集群的任务需求和环境条件，为每个无人机分配合适的子任务，并生成最优的飞行航迹和控制策略，使无人机集群能够高效、安全、协同地完成任务(图3-30)。它涉及无人机集群的任务分配、路径规划、协同控制等功能，是实现无人机集群自主决策与控制的关键。

任务分配是指根据无人机集群的总体任务，将其分解为若干个子任务，并将子任务分配给合适的无人机，使得无人机集群的整体效能最大化。任务分配的方法可以分为集中式方法和分布式方法两种。图3-30任务规划示意图

路径规划是指根据无人机的起点、终点、子任务、飞行性能、环境信息等，为每个无人机生成一条满足约束条件的飞行航迹，使得无人机能够安全、快速、高效地到达目标位置。路径规划分为静态与动态路径规划，静态路径规划是指在已知环境的情况下预先生成路径，动态路径规划是指在未知或变化的环境下，实时生成或调整路径。路径规划不仅涉及水平路径，还包括高度、速度控制以及避障算法等，确保每个无人机在不同阶段都能维持适当的高度和速度，在飞行过程中避开障碍物，以满足任务要求。

协同控制是指根据无人机集群的任务目标和规划的路径，为每个无人机生成相应的控制指令，使得无人机能够按照预定的航迹飞行，并与其他无人机协调一致、形成编队、保持队形、避免碰撞等。协同控制可分为基于领导者、基于邻居、基于角色、基于一致性等多种方法。

3.4系统集成与测试

当前，世界各国着重攻关和部署可以满足新型业务需求、增强无人机任务执行能力的无人机集群系统，典型代表有美国的“小精灵”系统、俄罗斯的“Flock-93”蜂群系统等(表3-1)。

无人机集群系统的仿真需要真实考虑无人机的空气动力学模型，即针对无人机在大气环境中的运动进行仿真。基于无人机的动力学特性，着重分析无人机表面压强、周围空气流速等流动性指标，刻画无人机集群空中运动特性，为面向复杂任务的无人机集群协作仿真奠定基础。以Gazebo(图3-31)为例，其能够提供高保真度的物理环境仿真，同时也可以根据用户需要，在Gazebo中自定义物理仿真环境。Gazebo与ROS具有很好的关联性，依靠Gazebo可以较好地实现无人机集群物理仿真环境的实时渲染。图3-31Gazebo的物理仿真环境

Gazebo中的无人机动力学模型主要根据无人机具体物理模型进行建模，通过力学推导，设计无人机动力学模型；具体需要考虑无人机的推力、扭矩、旋转的欧拉角等因素，同时因为不同无人机具有不同的空气动力学特征，因此需要设计不同的模型与相关参数。以四旋翼无人机(图3-32)为例，需考虑每个螺旋桨的推力与向上的扭矩，同时需要考虑无人机的欧拉角，即无人机坐标与世界坐标的相对关系。将理论推导的无人机参数模型载入仿真平台，最终实现精确仿真。图3-32无人机的推力、扭矩与欧拉角示意图

此外，可将ROS支持的里程计、雷达、摄像头、深度相机等基本传感器组件添加至azebo仿真环境中，尽可能使仿真结果贴近实际环境，并提供可视化的数据平台rviz(图3-33)。图3-32无人机的推力、扭矩与欧拉角示意图第4章无人机通信技术4.1无人机通信简介4.2空中无线信道建模4.3无人机通信关键技术4.4无人机物理层和数据链路层通信协议4.5无人机通信性能指标

4.1无人机通信简介

得益于无人机的部署快和覆盖广的优势，使用单架或多架无人机作为通信中继或空中基站用于网络恢复和通信保障，受到了广泛的关注。不同应用对无人机的数量、覆盖范围、服务质量(QualityOfService，QOS)的需求差异化较大，如图4-1所示。图4-1无人机应用案例

1.空中无线信道特征

基于无人机和地面接收机的位置关系，可定义两类空中无线信道：空对地(Air-to_x0002_Ground，A2G)信道，空中发射机和地面接收机之间的无线信道；空对空(Air-to-Air，A2A)信道，空中发射机和空中接收机之间的无线信道。其主要信道特征总结如下。

(1)飞行高度依赖性。

(2)机身阴影。

(3)高概率的LOS传播。

(4)多径分量。

(5)天线配置影响。

2.两类基本的无线通信衰落信道模型

通信信道模型最为常见的特征即为衰落，因为衰落决定了在以给定信噪比传输特定链路距离时所需的发射信号功率。因此，研究空中无线通信衰落信道模型对于无人机通信起到了至关重要的作用。

1)大尺度衰落信道模型

大尺度衰落信道模型包括无线电信号与传播距离相关的路径损耗、建筑物等障碍物对信号路径遮挡造成的阴影，其传播损耗通常表示为与距离有关的路径损耗和阴影损耗的总和。下面以自由空间损耗模型为例介绍大尺度衰落信道模型。

接收功率为Pr，单位为瓦特(W)，计算可得

其中，Pt

为发射功率。

自由空间传播可用有效各向同性辐射功率表示，即发射功率与发射天线的增益的乘积PtGt。接收机的功率通量密度等于有效各向同性辐射功率与半径为d的球体表面积的比值，即PtGt/(4πd2)。接收功率Pr为功率通量密度和有效天线面积的乘积。而接收天线的增益与天线有效面积和工作载波波长有关，其定义为

其中，At

表示有效天线面积，功率通量密度与有效天线面积的乘积即为接收功率。

则自由空间的路径损耗PL

定义为Pt/Pr，可得

可以看到，自由空间路径损耗正比于发射天线和接收天线距离的平方。随着距离的增加，天线接收到的能量会减少。此外，自由空间路径损耗与信号波长的平方成反比。1GHz频段的自由空间路径损耗与60GHz毫米波频段的自由空间路径损耗相比，后者的自由空间路径损耗比前者高出35dB以上。

这个简单的示例表明，在未来5G/6G场景下，将带宽充裕的高频波段应用到无人机通信中需要克服高昂的路径损耗。然而，高频段的天线外形更小，同等面积下可以部署更多的定向天线形成的自适应阵列。由自适应阵列形成的窄波束可以提供较高的天线增益，以减少高频波段的路径损耗，但阵列处理会给无人机通信带来额外的计算量，其可行性取决于无人机所携带的处理器的计算性能。

2)小尺度衰落信道模型

相比大尺度衰落信道模型，小尺度衰落信道模型考虑信号随时间、频率和空间波动的变化规律，分析更为复杂。由于无线信道中的多径分量，移动接收机接收来自不同方向、不同时延和存在多普勒频移的无线电波。这些无线电波具有随机分布的振幅、相位和到达角。由于无人机的高速移动造成的通信环境快速变化，信道只在很小的时空域内是静止的，所以常常用很小的时空间隔分割静态信道以实现宽平稳特性，从而在平稳时空域内分析小尺度衰落特性。

为了研究小尺度衰落信道模型，本节引入了一般信道模型。一般信道模型介绍了脉冲响应函数，为时间t、时延τ和空间r的函数。首先，通过傅里叶变换将脉冲响应函数从时延域变换到频域，即

其中，h(t，f，r)

称为信道传输函数。

在统计信道建模中，信道通常被建模为一个广义平稳随机过程。这意味着信道的自相关函数在时间、频率和空间上是不变的，即

其中，Δt、Δf、Δr分别表示时间、频率和空间增量，h*·为信道传输的共轭函数。下面分别从时间选择性和频域扩展、频率选择性和时延扩展、空间选择性和角度扩展与包络和功率分布方面进行介绍。

(1)时间选择性和频域扩展(多普勒扩展)。

时间选择性是由发射机、接收机和周围物体的相对运动引起的