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解密电子科大建校65周年无人机表演背后的奥妙
——《电子科技学刊》专访航空航天学院秦开宇教授、高巨创新李晨亮、亿航智能王栋
文:谢暄 来源:学报编辑部 时间:2021-10-01 12117

  9月29日晚,电子科技大学65周年校庆之际,650架无人机点亮清水河校区,为我们带来了精彩的无人机编队灯光秀。这被称为“理工科的浪漫“表演更是引起不少观众对大规模无人机编队的各种好奇。

  JEST(电子科技学刊,学报英文版,简称JEST)邀请到了电子科技大学航空航天学院首任院长、“飞行器集群智能感知与协同控制”四川省重点实验室主任秦开宇教授、呈现精彩表演的校友企业“高巨创新”的总经理李晨亮先生以及无人机领域校友企业“亿航智能”的技术产品研发副总裁王栋先生,为我们带来“大规模无人机编队关键技术与应用展望”主题访谈,一探轻舞飞扬中的奥妙。

  1.校庆日当晚的无人机灯光秀很酷炫,能请各位专家从专业的角度谈谈里面涉及到的技术吗?

  电子科大秦开宇教授:无人机灯光秀是一种典型的集群飞行编队应用。无人机集群里面的成员必须通过非常严格、准确的配合才能完成复杂的灯光秀效果,其中涉及到的关键技术可大致归纳为“测”、“传”、“算”、“控”四个方面。通过“测”量和数“传”通信,无人机能准确地获取彼此的位置、速度等信息,为无人机交互协同提供基础;利用这些信息计“算”无人机下一步的具体任务目标,而后“控”制无人机,实现稳定飞行。和人类一样,“测”、“传”、“算”、“控”分别对应了我们的眼睛、神经网络、大脑和双手,它们通过合作使无人机能够到达预定位置。

  高巨创新李晨亮:大规模机群群体控制技术、空中自动补位技术以及无人机自主应急处置技术等。

  亿航智能王栋:对于大规模无人机编队,目前主要是户外的大规模编队表演,涉及到三个关键技术:第一,是无人机控制与任务规划,要确保无人机控制的一致性,任务规划的合理性。因为大规模编队相当于在一个集中的时间、空间内,对几百上千架无人机进行统一地调度,不仅要考虑到不能发生碰撞,还要考虑单个无人机对整个编队的影响,才能确保整个表演完美地呈现。第二是精准定位技术,表演的呈现要依赖于每一架无人机精准的定位,这样才能展现出图案的效果。目前无人机编队精准定位主要采用的是RTK(实时动态差分)技术,需要一个基准站将实时差分数据发送到每一台无人机,以此消除卫星定位的误差,从而达到厘米级的定位精度。这样就引出无人机表演的第三个关键技术,就是大规模组网通信,因为至少要保证每一台无人机每一秒钟都能收到来自地面基准站的差分数据,对于几百上千架无人机的通信组网来说,也是一个挑战。

  2. 实际应用中的技术难点有哪些?或者说实现过程中会面临哪些问题呢?

  电子科大秦开宇教授:要实现大规模无人机的集群编队飞行,需要“测、传、算、控”四个方面环环相扣,一定要测得准、传得快,算得精、控得稳,才能完成精准协同飞行,就像是我们打篮球,眼、脑、腿(手)都要跟上才能投中,缺一不可。在实际实现中,上述环节均有不少的问题,例如在进行位置测量时,现有的GPS等都会带来误差。除了上述四个环节,要完成大规模无人机编队灯光秀,如采用一台主控机实现无人机的信息交互和传递,计算量负荷非常大,成本也很高昂。

  高巨创新李晨亮:随着机群数量增加,大规模机群的控制难度是递增的,对于通讯的带宽以及稳定性也有更高的要求。另外还有数据处理问题,在大型的编队表演中,我们会采用分布式系统的策略,用来减轻数据量过大的问题,分布式系统的优点在去中心化,分布处理数据,其中任何一台系统故障都不会影响飞行表演。还有在环境以及无线电环境都会有一定的干扰,我们需要让无人机拥有更强的抗干扰能力。

  亿航智能王栋:目前的技术难点主要在于抗干扰,尤其是卫星信号的抗干扰。卫星信号传输到地面的功率非常弱,特别容易受到其他信号的干扰。在抗干扰方面,我们主要通过调整接收天线的方向性、做带外滤波抑制等方面来改善,同时也可以通过多频多模的卫星接收机来避免单一频段的干扰。

  3. 秦教授您提到编队中主机计算量可能非常大,有什么方法能解决吗?

  电子科大秦开宇教授:在一对多的模式,即集中式控制模式下,需要主机处理整个大规模无人机编队的信息,并分发指令到每一架无人机,增加计算量也加重了主机的负担,系统稳定性和可靠性相对较低。为了解决这个问题,现有的思路是采用分布式控制(如高巨创新在大型编队表演中采用的方式)。分布式控制方式没有中心点,因此降低了个体对控制中心的依赖,并且交互信息量小、计算量小,近年来分布式控制方式获得了越来越多的关注。此外,分布式控制方式相较于集中式控制方式具有较好的容错能力、扩充能力。但是,分布式控制方案也有其技术难点,这种控制结构下,通信滞后、拓扑变换等因素会对群体稳定性带来挑战甚至破坏集群,而这正是我们现在攻关的重点方向。

  4. 目前主要的组网方式有哪些?听说高度是制约4G组网应用的一个因素?

  高巨创新李晨亮:目前的主流组网方式包括自组网和4G/5G组网;4G组网面临人流激增时,容易出现网络堵塞以及高延迟的问题。

  亿航智能王栋:主要组网方式有4G/LTE,也有通过地面架设AP来组成的wifi网络,另外还有点对多点的广播通信等方式;对于4G/LTE组网来说,由于运营商基站的覆盖范围主要是朝向地面,所以在高空中的覆盖不稳定是一个主要问题。

  5. 很多读者好奇,在无人机编队运动协调中,如何做到在通信、位置、飞行姿态等方面互不干扰的?关键技术有哪些?

  高巨创新李晨亮:首先要保证飞机自身的高精度定位,目前我们采用的GPS+北斗的双模RTK定位;同时通过集群通讯系统,我们能知道每台无人机的精确位置,确保无人机之间的安全距离。

  亿航智能王栋:在编辑整体任务的时候,会通过编队专用的地面控制软件,来计算任务的运动过程,并根据障碍规则来运行防碰撞的算法,生成统一的任务规划;所以在第一个问题中我提到无人机控制的一致性,因为在规划任务时,对每一台无人机的运动轨迹是按接近理想状态计算的,当然也有考虑到加减速过程,所以无人机实际飞行中的控制一致性就很重要,否则就会由于某一台或某几台无人机的运动轨迹不一致而发生碰撞,进而影响整个表演质量。

  6. 无人机编队除了应用于表演,还可以应用于哪些方面?

  电子科大秦开宇教授:对比单机,无人机通过编队,能够执行更为复杂的任务,在军事、民用等领域有广泛的应用前景。在民用领域,除了灯光秀之外,无人机编队还可以执行安全监视、物流运输、电力巡检等任务。在军事领域,无人机编队能够完成战场覆盖、协同侦察、协同围捕与打击或者实现与无人机集群的协同对抗等任务。未来战场,有人/无人机的协同作战则会成为一种新常态,甚至将快速扩展到与无人车、无人船和无人艇的协同,形成更全面的体系作战能力。

  高巨创新李晨亮:在民用领域,在巡查、测绘、抢险、运输、植保等方面,我们都能看到无人机编队生机勃勃的身影,极大地提高了工作效率和质量。在军事领域,无人机蜂群战斗已经成为各方关注的焦点,很有可能将来成为一种主流的作战模式。

  亿航智能王栋:目前无人机编队在民用方面还是以表演居多,另外也如第一点所说,无人机编队其实是在一个空间与时间相对集中情况下的集群调度,所以,类似的比如空中交通、智慧城市管理等方面,都算是编队的延伸;在军用方面,无人机蜂群攻击是目前各国的战略方向,而且在未来战争中极有可能是非常难以防御的一种攻击形式,我们国家应该在这方面多加研究。

  7. 目前在实际中相对比较成熟的应用有哪些?

  亿航智能王栋:目前有一些城市建立了无人机的指挥调度中心,用于智慧城市建设,可以调度分布在各个地点的无人机同时执行日常巡查任务;另外也有一些无人机物流配送方面的试点应用,通过基于物流调度系统的控制,无人机可以承担起运送外卖,快递等任务,极大地节约了配送时间;在这些方面,亿航智能已获得了民航局颁发的自动驾驶飞行器的物流试运行许可,以及无人机云系统的运行批准,各项应用可以在法规允许下有序推进。

  8. 目前国家有没有一些相关的发展规划或举措?

  高巨创新李晨亮:我国的相关研究和开发一直没有停过。

  亿航智能王栋:是的,目前国家对于低空开放和无人机发展方面,推出了很多扶持性政策,同时也对有资质、技术领先的公司颁发了一些试运行许可证;甚至组织制定适航标准,将我们国家在无人机方面的技术领先优势巩固下来。

  9. 想问问秦教授电子科技大学有开展相关的研究和人才培养吗?

  电子科大秦开宇教授:从前面的问题我们也可以看出,要实现无人机编队,需要通信、导航、控制等多学科知识的交叉和融合。我院结合我们学校“电子信息+人工智能”的优势,能够从相关方面为无人机编队技术的研究和发展提供强力支持。特别是依托“飞行器集群智能感知与协同控制”四川省重点实验室,在集群通信、导航、感知和控制等方面,开展了一系列的科研工作。同时我们针对学生培养,开设了一系列的课程,比如《无人机群智能技术基础》、《多无人机编队协同控制实验》、《飞行控制系统》、《无人机自主任务》、《阿布扎比国际机器人挑战赛指导》等课程,从理论探索到实验检验,以新工科理念,培养学生自主学习和动手实践的能力。

  10. 您能谈谈未来无人机集群的发展趋势吗?

  电子科大秦开宇教授:未来无人机集群的发展趋势为智能化、自主化、去中心化以及有人/无人机协同。智能化指的是,无人机能够通过携带摄像头等传感器实现更复杂的任务;自主化指的是,无人机飞行期间无人为操控,所有个体只控制自身飞行、观察临近个体位置,但不对任何其他个体产生主观影响作用;去中心化指的是,没有中心领导机制,集群中的单个个体消失或丧失功能,整个群体依然有序地飞行。有人/无人机的协同指挥控制是未来的重大发展趋势,无人机平台能够有机融入人类的决策智慧,通过“感知、判断、决策、行动”实现有人和无人平台之间的智能协同、分工合作,形成“1+1>2”的效果。

  11. 问一个大家挺“关心”的问题,目前无人机编队表演的市场价格如何呢?

  高巨创新李晨亮:目前经过两三年市场发展,整体编队表演市场价格已经从开始的天价回归到理性的价格,绝大多数潜在的客户群体都是可以消费得起的。同时也要求我们在技术上必须更加成熟稳定安全,推动整体行业持续健康发展。

  亿航智能王栋:一般是看规模,价格从几十万到几百万不等。

  12. 三位都毕业于电子科技大学,在母校65周年校庆之际,对母校有什么寄语吗?

  电子科大秦开宇教授:见微然后知著,从聚焦微观电子到放眼宏观天空,电子科技大学有无限的发展空间!

  高巨创新李晨亮:饮水思源,感恩母校,祝母校人才济济,星光璀璨!

  亿航智能王栋:感恩母校,希望母校越来越好,为科技事业源源不断的提供人才。下次飞编队一定要找我,哈哈。


  团队/公司简介: 

  秦开宇教授团队简介:“飞行器集群智能感知与协同控制”四川省重点实验室成立于2018年12月,依托电子科技大学航空航天学院建设,下设4个研究室,分别为飞行器集群系统总体技术研究室、飞行器集群信息网络技术研究室、飞行器集群智能感知技术研究室、飞行器集群协同控制技术研究室。实验室主任为空天学院秦开宇教授,学术委员会主任为陈鲸院士。目前拥有固定人员共计34人,包括国家级专家1人,教育部新世纪优秀人才4人,正高职称19人,副高职称10人,博士生导师15人,具有博士学位者26人,16人具有海外学习经历。实验室主任秦开宇教授是国家载人航天发展战略专家组成员,国家战略高技术计划航空航天领域主题专家组成员,国防科工局航天重大基础专家组成员,中国宇航学会深空探测专业委员会委员,四川省学术和技术带头人。研究队伍包括飞行器力学、导航制导与控制、电子信息工程、通信工程、控制工程、光学、机械工程等学科的人才。研究方向覆盖集群系统建模、集群自组网、集群智能感知和集群协同控制。实验室在国家航空航天飞行器信息技术领域具有雄厚的积累,为国家航空航天飞行器前沿科技攻关做出了突出的贡献。承担国家级、省部级等各类项目67项,获得奖励5项,发表SCI检索论文201篇,授权专利59件,发表论著4部。

  高巨创新自2014年成立以来,在研发生产无人机产品的同时,高巨创新也积极探索无人机的创新型应用,通过结合自研无人机的潜力和优势,2017年成功打造了高巨创新无人机编队,另辟蹊径打开了无人机编队表演的道路。至今已在全球100多个城市完美呈现5000多场表演,服务客户涉及互联网、品牌客户、主流媒体及政府等多个领域。2021年5月,高巨创新用5200架无人机连破4项吉尼斯世界纪录,包括最多无人机同时飞行、最大的由无人机形成的光源影像、26分26秒的最长时间由无人机表演的动画、同组无人机连续组成最多的队形。作为中国深圳本土企业,能够获得让世界瞩目的成绩,是国家科技创新和实力的展现,体现了“科技强国”战略的深远意义,向世界彰显了中国科技创新与实力!

  亿航智能是一家全球领先的智能自动驾驶飞行器科技企业,致力于让每个人都享受到安全、自动、环保的空中交通。亿航智能为全球多个行业领域客户提供各种自动驾驶飞行器产品和解决方案,覆盖空中交通(包括载人交通和物流运输)、智慧城市管理和空中媒体等应用领域。作为全球城市空中交通行业中,自动驾驶飞行器创新技术与应用模式的领军者,亿航智能不断探索天空的边界,让飞行科技普惠智慧城市的美好生活。2016年1月,亿航智能发布世界首款载人级自动驾驶飞行器;2016年12月,建立全球首座自动驾驶飞行器指挥调度中心;2018年3月,实现全球首家载人机自动驾驶飞行器商业化交付;2019年12月成为全球首家城市空中交通上市公司。

  Journal of Electronic Science and Technology,中译名《电子科技学刊》,是由电子科技大学主办,教育部主管的全英文季刊。主要刊登电子科技及相关交叉研究领域的科研成果与综述。期刊目前有五个Special Section,包括:能源材料纳米,高效能技术,量子信息处理,太赫兹技术与应用以及由徐红星院士主持的集成光子学专栏。

  期刊目前与Elsevier合作在ScienceDirect上开放获取。同时通过与TrendMD合作,大家在我们期刊上发表的文章,可以与Science,PNAS等一流期刊的论文同屏展示,被精准推荐给这些期刊的读者阅读。目前已被Scopus,EI INSPEC,CSCD,DOAJ等国内外数据库检索。


编辑:林坤  / 审核:林坤  / 发布:林坤