從精準農業到災害響應，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的性能。與此同時，無人機系統也變得更加復雜，帶來了新的設計挑戰，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。

隨著這些系統的不斷發展，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，設計師們正在開發機器人群，以在各類應用場景中實現新型操作。

工業中的集群機器人技術

制造業是早期采用機器人的領域之一，但當時的機器人只是執行有限任務的簡單機械裝置，盡管它們比人工操作更快、更穩定。現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內的物料運輸更加靈活。它們能夠避開高流量區域，閑置單元可接收新任務，并迅速應對異常情況。

農業機器人

現代農業面臨廣闊且難以預測的環境，這與工廠的受控環境截然不同。智能農業技術正開始用傳感器和數據驅動的決策取代人工勞動，但農場中任務的規模和多樣性仍然是一個挑戰。[2]

機器人集群為這一挑戰提供了解決方案。與高度精密的農業機械不同，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域內部署，并協同完成重復且耗時的任務。

農業機器人融合了地面系統與空中無人機的優勢。地面系統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。這種組合構成了多層級自適應系統，可針對獨特的農業環境進行定制。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，能在農場內執行大量重復性作業而無需集中控制，使農戶能夠更多地承擔監督職責。

基礎設施維護

農場并非自主機器人創造價值的唯一場景。關鍵基礎設施如管道、電網和風力渦輪機也面臨類似挑戰。這類設施覆蓋廣闊地域，常位于偏遠地區，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。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，在大面積區域和建筑物內自動執行任務。

在任何大規模緊急事件中，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。

傳統地面搜救隊必須應對高度危險的環境。其他風險，包括建筑物結構不穩和局部高溫，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，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，使操作員能夠在大范圍內同步開展搜索行動，為后續救援隊伍鎖定潛在生還者。其群體智能技術可動態調整飛行路線，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、所分配任務的執行狀態以及對周邊環境的觀測信息。

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。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 (GPS) 是提供精確位置的成熟手段，但在封閉或地下環境中應用受限。無人機還必須能在GPS信號受阻區域正常運作。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、通信和定位系統外，無人機還需配備儲能和推進系統。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環境：無論是部署于工業或農業場景，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。

未來發展方向

機器人集群的未來將包括自主任務規劃與企業系統集成等先進功能。在工業領域，集群將直接對接自動化企業資源規劃 (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。在操作層面，必須與傳統的載人飛機共享空域。隨著人工智能 (AI) 的發展和自主性的增強，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、農業、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。隨著政策法規日趨完善，機器人集群將從創新階段邁向全面整合階段。