從精準農業(yè)到災害響應，空中無人機（又稱無人駕駛飛行器）正變得更智能、更迅捷、更協同。下一個發(fā)展目標是實現同步飛行。

邊緣計算、無線通信和傳感器融合技術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)也變得更加復雜，帶來了新的設計挑戰(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，人們的關注點正轉向多機器人協同領域——成群的自主無人機協同工作，其任務執(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同技術（即所謂的集群機器人技術）日益廣泛的應用。

地點與任務導航

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。

集群機器人技術指大量無人機協同工作以完成共同任務。該技術引人注目的應用當屬創(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象。包括螞蟻和蜜蜂在內的眾多昆蟲物種，在沒有集中控制的情況下仍能作為一個凝聚的整體協同工作。盡管缺乏整體控制，它們仍能協調行動完成復雜任務。受此行為啟發(fā)，設計師們正在開發(fā)機器人群，以在各類應用場景中實現新型操作。

工業(yè)中的集群機器人技術

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

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

自主機器人集群使廠區(qū)內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，并迅速應對異常情況。

農業(yè)機器人

現代農業(yè)面臨廣闊且難以預測的環(huán)境，這與工廠的受控環(huán)境截然不同。智能農業(yè)技術正開始用傳感器和數據驅動的決策取代人工勞動，但農場中任務的規(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)域內部署，并協同完成重復且耗時的任務。

農業(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)。這種組合構成了多層級自適應系統(tǒng)，可針對獨特的農業(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設施，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對季節(jié)性需求。因此，該集群構成了一支龐大的機器人勞動力隊伍，能在農場內執(zhí)行大量重復性作業(yè)而無需集中控制，使農戶能夠更多地承擔監(jiān)督職責。

基礎設施維護

農場并非自主機器人創(chuàng)造價值的唯一場景。關鍵基礎設施如管道、電網和風力渦輪機也面臨類似挑戰(zhàn)。這類設施覆蓋廣闊地域，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，可實現快速安全的數據采集。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鍵結構，又能不受地形限制地快速轉移至下一個檢測點。

空中救援

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

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，速度同樣至關重要——快速響應常常關乎生死。

傳統(tǒng)地面搜救隊必須應對高度危險的環(huán)境。其他風險，包括建筑物結構不穩(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。其群體智能技術可動態(tài)調整飛行路線，而小型機身設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

無人機間的通信是實現集群功能的核心需求。集群要作為一個協同整體運作，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據、所分配任務的執(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生的海量信息可能對常見通信協議（如Wi-Fi、Zigbee和LTE）的承載能力構成挑戰(zhàn)。密集型集群既需要低延遲通信，又需具備可擴展性。新興的網狀網絡協議和專用集群通信標準（如移動自組織網絡MANET）或可提供解決方案。MANET作為去中心化無線網絡，無需依賴路由器或無線接入點等預先存在的基建設施。

構成移動自組織網絡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系。因此，每架無人機既是網絡的一部分，不僅傳輸自身數據，還會轉發(fā)鄰近無人機的信息。

精確定位信息是必須共享的重要數據要素。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——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，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。即便在其他技術不可用時，該技術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。設計師還需關注無人機群的作業(yè)環(huán)境：無論是部署于工業(yè)或農業(yè)場景，還是用于自然災害救援，無人機都必須具備抗風、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規(guī)劃與企業(yè)系統(tǒng)集成等先進功能。在工業(yè)領域，集群將直接對接自動化企業(yè)資源規(guī)劃 (ERP) 和物聯網 (IoT) 網絡，實現完全自主化運作。其他應用場景則將提升與人類操作員的協作水平，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，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重要。

機器人集群正為工業(yè)、農業(yè)、基礎設施及應急響應領域開辟全新路徑。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。