無(wú)人機(jī)集群技術(shù)第一章緒論國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(wú)人機(jī)集群概述課程導(dǎo)入1.11.1課程導(dǎo)入4直升機(jī)/無(wú)人機(jī)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(yùn)輸直升機(jī)飛赴戰(zhàn)區(qū)集結(jié)無(wú)人集群投放無(wú)人機(jī)集群協(xié)同電子偵查目標(biāo)截獲定位無(wú)人機(jī)集群自主航跡規(guī)劃協(xié)同電磁干擾武裝直升機(jī)開(kāi)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(jì)算機(jī)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(gè)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(wú)人機(jī)集群技術(shù)屬于通信網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)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(jì)與工程（082002）、信息工程（080706）等多個(gè)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(mén)跨專業(yè)、跨學(xué)科的學(xué)科拓展專業(yè)課程。1.27無(wú)人機(jī)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(xiàng)目

CODE項(xiàng)目

“灰山鶉”項(xiàng)目

LOCUST項(xiàng)目中國(guó)電科中國(guó)電子科技集團(tuán)公司成功完成了119架固定翼無(wú)人機(jī)集群飛行試驗(yàn)，演示了密集彈射起飛、空中集結(jié)、多目標(biāo)分組、編隊(duì)合圍、蜂群行動(dòng)等動(dòng)作。8課程主要內(nèi)容

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

3、無(wú)人機(jī)集群通信與組網(wǎng)；

4、無(wú)人機(jī)集群協(xié)同控制；

5、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。課程學(xué)時(shí)安排

1、必修：課堂教學(xué)28學(xué)時(shí)+實(shí)驗(yàn)教學(xué)8學(xué)時(shí)，共計(jì)36學(xué)時(shí)；

2、選修：實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放日，科創(chuàng)，競(jìng)賽。培養(yǎng)目標(biāo)：旨在幫助學(xué)生掌握無(wú)人機(jī)集群相關(guān)的基礎(chǔ)理論知識(shí)。培養(yǎng)探究式的思維方式和解決復(fù)雜問(wèn)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(diǎn)數(shù)量多，實(shí)驗(yàn)成本高1集群覆蓋范圍廣，空域申請(qǐng)難2易發(fā)墜機(jī)等事故，實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)大3結(jié)果難重現(xiàn)，不利于探究性教學(xué)4無(wú)人機(jī)集群相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨嚴(yán)重困難課程性質(zhì)與特色1.2102020年國(guó)家級(jí)一流本科課程：多旋翼無(wú)人機(jī)裝配與群體協(xié)同虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程性質(zhì)與特色1.211能實(shí)不虛虛實(shí)結(jié)合多旋翼無(wú)人機(jī)裝配與參數(shù)調(diào)試無(wú)人機(jī)集群鏈路預(yù)算與組網(wǎng)無(wú)人機(jī)集群協(xié)同與自主避障實(shí)驗(yàn)?zāi)康模菏箤W(xué)生掌握多旋翼無(wú)人機(jī)裝配與參數(shù)調(diào)試、無(wú)人機(jī)集群鏈路預(yù)算與組網(wǎng)、無(wú)人機(jī)集群協(xié)同與自主避障相關(guān)技術(shù)原理和實(shí)驗(yàn)方法，培養(yǎng)學(xué)生探究式的思維方式和解決復(fù)雜問(wèn)題的綜合能力課程性質(zhì)與特色1.212無(wú)人機(jī)PID調(diào)參仿真環(huán)境中的無(wú)人機(jī)PID調(diào)參無(wú)人機(jī)集群協(xié)同飛行測(cè)試仿真環(huán)境中的無(wú)人機(jī)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(lái)源于科研中的實(shí)際程序?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)課程性質(zhì)與特色1.213國(guó)家級(jí)一流課程建設(shè)體系無(wú)人機(jī)集群技術(shù)國(guó)家級(jí)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(wú)人機(jī)集群概述1.3什么是無(wú)人機(jī)？無(wú)人機(jī)是無(wú)人航空飛行器（UnmannedAerialVehicle,UAV）的簡(jiǎn)稱，是一種由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、機(jī)上無(wú)人駕駛、可控制、可執(zhí)行特定任務(wù)的航空飛行器。無(wú)人機(jī)的發(fā)展呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)：小型化、智能化；高空化、長(zhǎng)行時(shí)化；低造價(jià)、低損耗。1.316無(wú)人機(jī)的分類無(wú)人機(jī)最主要可分為固定翼和多旋翼兩大類。1.317單無(wú)人機(jī)的缺陷單架無(wú)人機(jī)雖然具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、隱蔽性強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但存在以下問(wèn)題：在執(zhí)行任務(wù)中，由于各種意外而造成無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)集群1.318什么是無(wú)人機(jī)集群由一定數(shù)量的單功能、多功能的UAV共同組成。可實(shí)現(xiàn)單個(gè)平臺(tái)行為自主決策、平臺(tái)間行為協(xié)同。

在交感網(wǎng)絡(luò)的支撐下，節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行信息交互與反饋、激勵(lì)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(dòng)系統(tǒng)。

1.319無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)具有自動(dòng)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(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中完全自主控制、決策和管理，操縱人員只是對(duì)無(wú)人機(jī)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視、當(dāng)其出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行校正。

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

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

1.321無(wú)人機(jī)集群的民用場(chǎng)景在民用領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)噴藥，防治病蟲(chóng)害。航空攝影：低空無(wú)人機(jī)集群攝影系統(tǒng)。應(yīng)急救災(zāi)：森林火災(zāi)探測(cè)、無(wú)人機(jī)滅火。飛行表演：重大活動(dòng)的夜間空中燈光秀。1.322無(wú)人機(jī)集群基于合作策略和協(xié)調(diào)機(jī)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(cè)干預(yù)的受控系統(tǒng)無(wú)人機(jī)自組織與人弱控制交互作用的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)集群的集群屬性1.323無(wú)人機(jī)集群內(nèi)部各無(wú)人機(jī)有目的、有意識(shí)的運(yùn)行/演變活動(dòng)稱為集群行為。

按運(yùn)行層次及參與無(wú)人機(jī)個(gè)數(shù)，集群行為可分為獨(dú)立行為、

交互行為、協(xié)同行為、系統(tǒng)行為；獨(dú)立行為指未與其他無(wú)人機(jī)交互而自行發(fā)生的行為，一般存在于標(biāo)志無(wú)人機(jī)(主節(jié)點(diǎn))。交互行為是集群內(nèi)無(wú)人機(jī)間交互與反饋、激勵(lì)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(wú)人機(jī)集群的集群行為1.324

按運(yùn)行層次及參與無(wú)人機(jī)個(gè)數(shù)，集群行為可分為獨(dú)立行為、交互行為、協(xié)同行為、系統(tǒng)行為；協(xié)同行為是獨(dú)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(wú)人機(jī)集群遂行任務(wù)，是系統(tǒng)自組織特性的具體體現(xiàn)。

無(wú)人機(jī)集群的集群行為1.325無(wú)人機(jī)集群需要具備的能力群體智能能力

引入人工智能。感知、運(yùn)算和決策能力如同一群鳥(niǎo)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(wú)人機(jī)之間通過(guò)通信鏈路進(jìn)行信息交互。

航跡規(guī)劃能力

設(shè)計(jì)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(duì)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(shí)序約束、時(shí)間敏感性約束、任務(wù)指標(biāo)等各個(gè)方面均可能存在差異。

無(wú)人機(jī)集群成員間的差異。組成集群的單個(gè)無(wú)人機(jī)存在運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)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(shí)等，甚至可能會(huì)出現(xiàn)虛假通信等問(wèn)題。

無(wú)人機(jī)集群協(xié)同控制的復(fù)雜性1.327航跡規(guī)劃是無(wú)人機(jī)編隊(duì)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(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)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(kù)，如美國(guó)的數(shù)字地形高程數(shù)據(jù)（DTED）。敵情則通過(guò)衛(wèi)星和情報(bào)手段獲得。無(wú)人機(jī)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(cè)和地空導(dǎo)