从群体智能到多无人机自主控制

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1、76系统与控制纵横2014年第2期漫谈系统与控制从群体智能到多无人机自主控制段海滨北京航空航天大学飞行器控制一体化技术国家级重点实验室自然界一直是人类创造力的丰富源泉，人类有序地随着洋流和食物忽东忽西，整齐划一地行认识事物的能力来源于与自然界的相互作用之进；而当鱼群遇到攻击的时候，倏忽聚散，展现中。自然界中的许多自适应优化现象不断给人以出十分严密的分工协作；欧椋鸟在迁徙过程中往启示：生物体和自然生态系统可通过自身的演化往会聚集成巨大的队形，有时甚至会包含上百万就使许多在人类看起来高度复杂的问题最

2、终得到只鸟，庞大的鸟群集体翱翔，在空中形成动态激完美的解决。本文首先介绍自然界中典型的群荡又迷幻的场景。在微观上，细菌等微生物以及体行为，包括群居性的昆虫（蚂蚁、蜜蜂）、人类的黑色素细胞也会进行群集运动。总之，无鸟、鱼以及细菌。自然界中广泛存在着协调有论是在生命体，还是在非生命体的世界中，都广序的大规模群体运动行为，为群体智能（Swarm泛存在着类似的大规模群体运动场景，这些由大Intelligence,SI）的产生与发展提供了丰富的思量相互联系的、不断运动的个体组成的系统表现想源泉。然后，介绍

3、了群体智能的基本概念、特出了丰富多彩的群集行为。征以及目前存在的两个主要研究领域。接着，1、蚂蚁从生物群体谈到了多无人机（UnmannedAerial蚂蚁是一种既渺小而又平常的社会性昆虫。Vehicles,UAVs）的自主控制，分析了无人机自主尽管蚂蚁个体比较简单，但整个蚂蚁群体却表现控制的基本内涵和自主能力等级划分，阐述了群为一个高度机构化的社会组织，在许多情况下能体智能与多无人机自主控制之间的映射关系。最完成远远超过蚂蚁个体能力的复杂任务[2,3]。自然后，简要介绍了国内外多无人机自主控制方

4、面的界中的蚂蚁在环境中释放出一种化学刺激物——代表性进展。信息素。通过信息素的作用，蚁群能够找到食物源和巢穴之间的最短路径。蚂蚁不仅可以检测出一、自然界中典型的群体行为信息素的含量，而且可以根据信息素的浓度确定其前进的方向。信息素随时间的推移逐渐挥发，自然界中的个体聚集时往往能够形成协调、[1]蚂蚁走过的路径上信息素浓度会不断得到加强，有序，甚至令人感到震撼的运动场景。比如在进而促使更多蚂蚁选择该路径。大量的蚂蚁个体宏观上，天体（恒星、行星、星云等）之间的聚通过这种简单的信息交流，实现了正反馈的

5、信息集形成星系的运动，大气层中的水汽聚集形成大学习机制，因而能够快速找到从食物源到巢穴的气运动。在生物界，水中成群游动的鱼，纷乱而2014No.2AllAboutSystemsandControl77图1蚂蚁群体图2蜜蜂群体图3鸟群78系统与控制纵横2014年第2期最短路径（如图1所示）。2、蜜蜂生物学家K.Frisch教授发现，虽然自然界中各社会阶层的蜜蜂只能完成单一的任务，但是蜜蜂通过摇摆舞、气味等多种信息交流方式，使得整个蜂群总是能很自如地发现优良蜜源（或花[4]粉），实现自组织行为，K.

6、Frisch教授也正是（a）靠他研究蜜蜂行为取得的成果而获得了1973年的诺贝尔生理学和医学奖。蜂巢中的一部分蜜蜂作为采蜜蜂，它们不断并随机地在蜂巢附近寻找蜜[5,6]源。如果这些采蜜蜂发现了花蜜超过某个阈值的蜜源，则飞回蜂巢并用摇摆舞告知其他蜜蜂。摇摆舞是蜜蜂之间交流信息的一种基本形式，它传达了有关蜂巢周围蜜源的重要信息（如蜜源方向及离巢距离等），其他蜜蜂利用这些信息准（b）确评价蜂巢周围的蜜源质量。当采蜜蜂跳完摇摆舞之后，就与巢中的一些同伴一起飞回原先找到的蜜源采蜜。跟随采蜜蜂的蜜蜂数量取决

7、于蜜源质量。以这种方式，蜂群能快速且有效地找到花蜜。蜜蜂采蜜通常要先判断蜜源质量。如果在采集该蜜源之后，其花蜜质量仍然很高，它们会回到蜂巢继续通过摇摆舞招募更多的同伴去采蜜（如图2所示）。（c）3、鸟图4鸟群的行为规则：(a)分离；(b)速度匹配；(c)聚集在众多类型的生物群集行为中，鸟群有组织的群集飞行行为是一种最容易观察，同时又极具候，要比单独一只或少量鸟聚集时更容易发现敌研究价值的生物学现象[7,8]。鸟群在迁徙或者归巢害。在鸟群飞行或栖息时，只要有一只鸟发现敌中飞行得十分协调，时而向左，

8、时而旋转，时而害，它就会很快将这个信息以一传十、十传百的如万马腾空跳跃，在空中呈现出蔚为壮观的景象方式传递给所有的鸟，鸟群就会立即采取应急的（图3）。鸟群在作“V”字形飞行时，把翅膀放对策，或者迅速逃跑，或者一起鸣叫，将敌害吓在同伴飞行产生的气流之上，可以很大程度上节退。总之，鸟群在群体飞行中，通过个体间的交省体力。在鸟群中常由一只或几只有经验的头鸟互作用，在集体层面上呈现出具有自组织性、协带路，头鸟凭借其丰富的经验为鸟群提供食源、作性和群体的稳定性以及对环境的适应能力的有水源等的可靠信息。大量