17、空中集体系统：技术、挑战与应用

空中集体系统：技术、挑战与应用

1. 引言

近年来，多飞行机器人的部署吸引了众多研究团队的关注。多个飞行机器人协同工作，能比单个系统更快、更高效地完成任务。它们还能共享计算、传感和通信负载，使机器人更轻便、安全，便于运输，甚至在某些情况下可一次性使用。部署无人机群能快速覆盖较大区域，协作的空中智能体可相互协助通信和导航，编队飞行能有效缓解空域拥堵，空中集群还具有巨大的艺术潜力。

然而，构建和控制空中集群面临诸多挑战。飞行平台的工程设计比地面机器人更复杂，飞行机器人相互交互时会出现无线通信和相对定位等问题。

2. 飞行机器人

飞行机器人在重量和集成方面有严格限制，需携带必要的传感器和计算能力，并能在一段时间内保持飞行。不同应用场景下，飞行平台的设计差异很大。

2.1 平台类型

• 轻于空气的结构 ：如热气球和飞艇，构建相对容易，能轻松升空，且在提升重物时经济实惠。但飞艇的大侧面积会产生较大阻力，对风敏感，高速行驶效率低。小型飞艇（软式飞艇）常被用作研究平台，用于研究集群行为或艺术表演。
• 固定翼飞机 ：机械设计简单，长距离飞行时能量效率高。但固定翼飞机的动力学是非完整的，转弯率受主轴线倾斜度限制，不能悬停或后退，这些运动约束给集体行为的实现带来困难。
• 直升机 ：可悬停、倒飞和侧飞，便于设计协作控制器。但传统直升机的机械结构复杂，维护成本高。因此，大多数机器人项目采用多旋翼配置，如四旋翼，具有出色的机动性，但能耗略高。直升机比飞机需要更多能量来维持飞