0 引言

    物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)自首次提出以來(lái)，引起了學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的廣泛關(guān)注^[1]。物聯(lián)網(wǎng)旨在通過(guò)將體域網(wǎng)、D2D通信、無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相融合，實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互連，可在任意地點(diǎn)、使用任意網(wǎng)絡(luò)來(lái)提供任意服務(wù)，具有巨大的民用與軍事應(yīng)用潛力。

    無(wú)人機(jī)(UAVs)已廣泛應(yīng)用于軍事與民用領(lǐng)域。由于其可動(dòng)態(tài)部署、配置方便、高度自主等特點(diǎn)，無(wú)人機(jī)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域同樣扮演著極其重要的角色^[2-4]。無(wú)人機(jī)通過(guò)機(jī)載物聯(lián)網(wǎng)裝置（包括傳感器、攝像機(jī)、RFID等）實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)據(jù)的收集，如圖1所示。在物聯(lián)網(wǎng)中，由于部分無(wú)線裝置有限的傳輸范圍,無(wú)人機(jī)可以作為無(wú)線中繼用來(lái)改善網(wǎng)絡(luò)連接,延伸無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍；同時(shí)，由于無(wú)人機(jī)可調(diào)整的飛行高度和可移動(dòng)性，可以方便高效地收集地面物聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)據(jù)。目前已有智能無(wú)人機(jī)管理平臺(tái)，可通過(guò)各種終端設(shè)備同時(shí)操作數(shù)架無(wú)人機(jī)，按需定制飛行路線，獲取所需用戶數(shù)據(jù)^[5]；智能交通系統(tǒng)(ITS)可利用無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)交通監(jiān)控與執(zhí)法^[6]。此外，無(wú)人機(jī)也可以作為空中基站來(lái)改善無(wú)線網(wǎng)絡(luò)容量。谷歌在SkyBender項(xiàng)目中使用無(wú)人機(jī)利用毫米波技術(shù)試驗(yàn)了5G互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，速率達(dá)到了4G系統(tǒng)的40倍^[7]；通過(guò)基于無(wú)人機(jī)的軟件定義無(wú)線電平臺(tái)可用于基礎(chǔ)設(shè)施出現(xiàn)癱瘓時(shí)的應(yīng)急通信^[8]。

    隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的不斷深入和快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)無(wú)人機(jī)應(yīng)用由過(guò)去單一的服務(wù)投遞(如亞馬遜包裹投遞、電力線路監(jiān)控等)發(fā)展至無(wú)人機(jī)集群協(xié)同完成的諸多物聯(lián)網(wǎng)增值業(yè)務(wù)（如城市污染監(jiān)控、地質(zhì)災(zāi)害的防治、軍事“蜂群”無(wú)人機(jī)技術(shù)等），可以完成單一無(wú)人機(jī)因能量和計(jì)算資源受限等無(wú)法完成的物聯(lián)網(wǎng)任務(wù)。同時(shí)，隨著智慧城市^[9]、水下物聯(lián)網(wǎng)^[10]、車聯(lián)網(wǎng)^[11]、軍事物聯(lián)網(wǎng)^[12]、空天地一體網(wǎng)絡(luò)^[13]等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的興起，均需充分借助無(wú)人機(jī)技術(shù)有效獲取和傳遞相關(guān)數(shù)據(jù)信息，包括地理空間信息、傳感數(shù)據(jù)信息、指控信息等，從而進(jìn)一步推動(dòng)包括云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等在內(nèi)的其他物聯(lián)網(wǎng)增值服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)無(wú)人機(jī)應(yīng)用將對(duì)物聯(lián)網(wǎng)未來(lái)的發(fā)展具有極其重要的意義。

1 物聯(lián)網(wǎng)無(wú)人機(jī)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

    為了適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的多樣性和為用戶提供更好的服務(wù),無(wú)人機(jī)應(yīng)用需要研究以下的關(guān)鍵技術(shù)。

1.1 無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂萍夹g(shù)

    隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展以及無(wú)人機(jī)自身資源的限制,無(wú)人機(jī)的應(yīng)用逐漸由控制單一無(wú)人機(jī)轉(zhuǎn)向控制無(wú)人機(jī)群，協(xié)同實(shí)施和完成物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

    無(wú)人機(jī)群所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)稱為飛行自組織網(wǎng)絡(luò)(FANETs)，但與MANETs和VANETs相比，有其自身的特點(diǎn)^[14]。地面控制站或衛(wèi)星對(duì)無(wú)人機(jī)群網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目刂茖⒅苯佑绊懙綗o(wú)人機(jī)群的協(xié)同和對(duì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的收集、共享和處理。以下是典型的無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制拓?fù)洌鐖D2所示^[14]。

    (1)星型控制拓?fù)洌涸谠摽刂仆負(fù)湎拢袩o(wú)人機(jī)直接連接至一個(gè)或多個(gè)地面控制站（或衛(wèi)星），并由地面控制站（或衛(wèi)星）中繼各無(wú)人機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換，如圖2(a)所示。在該控制方式下可由地面控制站集中式地控制所有單個(gè)無(wú)人機(jī)，在民用領(lǐng)域里有著廣泛應(yīng)用。但隨著無(wú)人機(jī)群的不斷擴(kuò)大，存在地面控制站將成為瓶頸節(jié)點(diǎn)并導(dǎo)致更大延時(shí)、無(wú)人機(jī)間無(wú)法直接通信等問(wèn)題。

    (2)大星型控制拓?fù)洌涸谠摽刂仆負(fù)湎?，所有無(wú)人機(jī)劃分為多個(gè)組，各個(gè)組內(nèi)無(wú)人機(jī)構(gòu)成一個(gè)星型結(jié)構(gòu)并由各組中心節(jié)點(diǎn)直接連接至一個(gè)或多個(gè)地面控制站（或衛(wèi)星），并由地面控制站（或衛(wèi)星）中繼各組無(wú)人機(jī)中心節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換，如圖2(b)所示。在該控制方式下允許部分無(wú)人機(jī)間直接通信，從而可有效減少對(duì)下行鏈路帶寬的要求，降低延時(shí)等。但由于各無(wú)人機(jī)組之間無(wú)法直接互通和無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目焖賱?dòng)態(tài)變化，存在網(wǎng)絡(luò)魯棒性不足等問(wèn)題。

    (3)Mesh型控制拓?fù)洌涸谠摽刂仆負(fù)湎?，所有無(wú)人機(jī)劃分為多個(gè)組，各個(gè)組內(nèi)無(wú)人機(jī)構(gòu)成一個(gè)Mesh型結(jié)構(gòu)并由各組中心節(jié)點(diǎn)直接連接至一個(gè)或多個(gè)地面控制站（或衛(wèi)星），同時(shí)，各無(wú)人機(jī)組間可直接互通，如圖2(c)所示。在該控制方式下允許各組無(wú)人機(jī)間直接通信，從而可進(jìn)一步減少對(duì)下行鏈路帶寬的要求，降低延時(shí)，改善了網(wǎng)絡(luò)魯棒性。

    以上各種拓?fù)淇刂茩C(jī)制均存在進(jìn)一步提高無(wú)人機(jī)群網(wǎng)絡(luò)性能、自主控制能力等的空間，以充分利用無(wú)人機(jī)群資源(包括能量資源、計(jì)算資源、群智資源等)，有效提高無(wú)人機(jī)群實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的高效、智能和自主化。

1.2 無(wú)人機(jī)防碰撞技術(shù)

    物聯(lián)網(wǎng)無(wú)人機(jī)應(yīng)用往往發(fā)生在人口密集的城市空域，確保無(wú)人機(jī)與無(wú)人機(jī)、無(wú)人機(jī)與其他障礙物（如建筑、樹(shù)、鳥(niǎo)等）不發(fā)生碰撞是無(wú)人機(jī)應(yīng)用的關(guān)鍵之一。

    為實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)避免發(fā)生碰撞，無(wú)人機(jī)需具備兩項(xiàng)能力：障礙感知能力和規(guī)避障礙決策能力。為使無(wú)人機(jī)具備障礙感知能力，當(dāng)前已有的解決方案包括協(xié)作型和完全自主型障礙感知技術(shù)。對(duì)于協(xié)作型障礙感知技術(shù)，可以構(gòu)建針對(duì)無(wú)人機(jī)的空管系統(tǒng)來(lái)對(duì)無(wú)人機(jī)間可能的碰撞實(shí)施告警。文獻(xiàn)[15]提出了無(wú)人機(jī)空中交通管理系統(tǒng)（TM-UAS）用于跟蹤和告警空中所有的無(wú)人機(jī)，確保無(wú)人機(jī)間保持安全的距離。此外，還可以通過(guò)所有無(wú)人機(jī)廣播共享三維坐標(biāo)、航向、航速等信息來(lái)實(shí)現(xiàn)碰撞感知。對(duì)完全自主型障礙感知技術(shù)主要通過(guò)無(wú)人機(jī)配備光電傳感器、微波傳感器、導(dǎo)航傳感器等來(lái)實(shí)現(xiàn)障礙感知。隨著制造工藝的不斷進(jìn)步，光電傳感器體積小、重量輕、功耗低，可以很好地裝備于各型無(wú)人機(jī)上。但是，基于可見(jiàn)光光譜的光電傳感器障礙感知技術(shù)面臨的困難是，檢測(cè)算法需要能夠應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的圖像背景、照明、圖像抖動(dòng)等；同時(shí)還要保證光電傳感器圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。為使無(wú)人機(jī)具備規(guī)避障礙決策能力，則需要通過(guò)多種數(shù)據(jù)融合技術(shù)，包括多目標(biāo)跟蹤技術(shù)等來(lái)獲取障礙物的相對(duì)位置和速度等信息，從而作出規(guī)避障礙的合理決策^[16]。

1.3 無(wú)人機(jī)群智能技術(shù)

    無(wú)人機(jī)群智能技術(shù)主要應(yīng)用于軍事物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)通過(guò)極少的人工干預(yù)控制無(wú)人機(jī)群對(duì)不同目標(biāo)完成偵察、攻擊等任務(wù)。由于無(wú)人機(jī)群的高動(dòng)態(tài)性，傳統(tǒng)集中式控制方式難以應(yīng)用于針對(duì)無(wú)人機(jī)群的控制。無(wú)人機(jī)群智能技術(shù)可以分布式地控制無(wú)人機(jī)群，使得無(wú)人機(jī)間可以智能地相互協(xié)同，高效地完成任務(wù)目標(biāo)。

    群智能技術(shù)主要借鑒的是生物學(xué)中的蜂群自組織行為模式算法^[17]。蜂群的行為模式目的是使得蜜源搜索最大化。其自組織的步驟是^[18-19]：

    (1)構(gòu)建搜索空間；

    (2)構(gòu)建偵察群和搜索群；

    (3)偵察群搜索出潛在有價(jià)值的站點(diǎn)；

    (4)從潛在站點(diǎn)中選出基本站點(diǎn)，以便搜索其臨近站點(diǎn)；

    (5)偵察群與搜索群交換需要搜索的站點(diǎn)信息；

    (6)搜索群成員選擇基本站點(diǎn)；

    (7)搜索群成員選擇基本站點(diǎn)附近潛在的站點(diǎn)。

    蜂群行為模式關(guān)鍵在于確定基本站點(diǎn)及其附近潛在有價(jià)值的站點(diǎn)。為了進(jìn)一步提高蜂群搜索成功概率，出現(xiàn)了改進(jìn)的人造蜂群算法（ABC）^[20]。

    群智能技術(shù)是人工智能領(lǐng)域的一個(gè)分支,對(duì)解決無(wú)人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)中的部分問(wèn)題被證明具有其高效性。無(wú)人機(jī)群智能技術(shù)在軍事中的應(yīng)用場(chǎng)景包括：(1)敵方目標(biāo)靜止地隨機(jī)分布在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，無(wú)人機(jī)群在有限時(shí)間內(nèi)對(duì)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的敵方目標(biāo)進(jìn)行協(xié)同搜索；(2)敵方目標(biāo)在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)以隨機(jī)速度向隨機(jī)方向移動(dòng)，無(wú)人機(jī)群從目標(biāo)區(qū)域某地點(diǎn)發(fā)射，在有限時(shí)間內(nèi)對(duì)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的敵方目標(biāo)進(jìn)行協(xié)同搜索、發(fā)現(xiàn)并摧毀。

1.4 無(wú)人機(jī)群動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)路由

    由無(wú)人機(jī)群構(gòu)成的無(wú)人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)(FANET)有其自身的特性，比如網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母邉?dòng)態(tài)變化、通信鏈路頻繁間斷、無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)因能量受限失效而導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)分割等。因此，有效的無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)路由需要具備對(duì)延遲和中斷容忍功能。移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)(MANET)和車輛自組織網(wǎng)絡(luò)(VANET)中的很多路由協(xié)議難以直接照搬到無(wú)人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用，例如AODV路由中發(fā)出請(qǐng)求和收到響應(yīng)的路由建立機(jī)制等。

    因此，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化時(shí)，無(wú)人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)路由可以通過(guò)存儲(chǔ)-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)的方式，對(duì)待轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包暫時(shí)予以存儲(chǔ)和攜帶，當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的最佳機(jī)會(huì)出現(xiàn)時(shí)再轉(zhuǎn)發(fā)出去，這種隨機(jī)路由方式取決于節(jié)點(diǎn)間的相遇概率，相關(guān)的路由協(xié)議如文獻(xiàn)[21]等；當(dāng)無(wú)法確定最佳的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)會(huì)時(shí)，則可以采取依概率隨機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的方式。對(duì)于配備有較高精度導(dǎo)航傳感器（如GPS、北斗、格洛納斯等）的無(wú)人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)，采用具有較少拓?fù)涮綔y(cè)開(kāi)銷的地理信息輔助路由也是較好的選擇，如文獻(xiàn)[22]等。此外，洪泛路由也是適合無(wú)人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)可選路由之一^[23]。在該路由協(xié)議中，無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)將向多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)同一數(shù)據(jù)包，中繼節(jié)點(diǎn)再向其他相遇節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，從而很快將數(shù)據(jù)包投遞至網(wǎng)絡(luò)連通部分，具有較高投遞率和較低投遞延時(shí)。但該路由協(xié)議要求節(jié)點(diǎn)具有足夠的緩存空間來(lái)攜帶和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包以及較高的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷，通過(guò)改進(jìn)洪泛路由協(xié)議，可以有效提高其性能。

    對(duì)于在無(wú)人機(jī)群中應(yīng)用的路由協(xié)議不一定始終適用和有效，需要依據(jù)無(wú)人機(jī)群的運(yùn)動(dòng)模式和動(dòng)態(tài)性適時(shí)加以調(diào)整。

1.5 無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃

    無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃是指在滿足一定條件的基礎(chǔ)上（如剩余燃料、飛行距離、任務(wù)數(shù)量等），為了保障無(wú)人機(jī)飛行安全和順利完成任務(wù)的需要而規(guī)劃出來(lái)的一條最優(yōu)飛行航線。

    由于無(wú)人機(jī)的航線規(guī)劃需要綜合考慮包括燃料、航程、地形地貌、氣象條件、空域限制、任務(wù)目標(biāo)等多種限制條件，可以歸結(jié)為多條件目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，文獻(xiàn)[24]提出的航線規(guī)劃搜索算法是此類問(wèn)題最常用的解決方法。對(duì)于具有較高自主控制能力的自組織無(wú)人機(jī)群，其航線規(guī)劃算法需要具備較高的實(shí)時(shí)性和自適應(yīng)性^[25]。

2 物聯(lián)網(wǎng)無(wú)人機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

    對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)無(wú)人機(jī)應(yīng)用及其關(guān)鍵技術(shù)未來(lái)的發(fā)展，主要表現(xiàn)出以下幾個(gè)方面的發(fā)展趨勢(shì)。

2.1 采用基于SDN的無(wú)人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)

    由于無(wú)人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)需要有效應(yīng)對(duì)包括能量受限、高延遲、鏈路頻繁中斷、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓邉?dòng)態(tài)變化等多種挑戰(zhàn)，需要高效地利用和分配各種網(wǎng)絡(luò)資源。同時(shí)，隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的不斷深入，不同異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合與互通也有著迫切的需求。軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）將數(shù)據(jù)面與控制面分離，可以通過(guò)編程的方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，從而滿足物聯(lián)網(wǎng)各種全新應(yīng)用和業(yè)務(wù)的需要。文獻(xiàn)[26]通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證平臺(tái)的測(cè)試，已成功驗(yàn)證了OpenFlow應(yīng)用于小規(guī)模無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的可行性；同時(shí)也對(duì)SDN未來(lái)應(yīng)用于動(dòng)態(tài)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)具有重要意義。由于SDN屬于集中式控制，可有效改善無(wú)線資源的利用率，提高網(wǎng)絡(luò)效率。典型的基于SDN的無(wú)人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

2.2 針對(duì)無(wú)人機(jī)的空管系統(tǒng)

    隨著物聯(lián)網(wǎng)無(wú)人機(jī)應(yīng)用不斷普及與深入，無(wú)人機(jī)妨礙民航客機(jī)起降、通過(guò)無(wú)人機(jī)運(yùn)送毒品、無(wú)人機(jī)意外墜落傷人等事件時(shí)有發(fā)生，針對(duì)無(wú)人機(jī)的空管系統(tǒng)呼聲日益高漲。

    NASA研制的無(wú)人機(jī)空管系統(tǒng)已于2015年8月成功進(jìn)行了演示驗(yàn)證，旨在監(jiān)視和管理民用無(wú)人機(jī)的飛行，提高無(wú)人機(jī)的自主飛行能力，提高無(wú)人機(jī)應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的飛行安全^[27]。未來(lái)針對(duì)無(wú)人機(jī)的空管系統(tǒng)將融入更多的智能控制機(jī)制，包括強(qiáng)制著陸、障礙規(guī)避等功能，提高無(wú)人機(jī)的飛行安全。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)無(wú)人機(jī)應(yīng)用安全與隱私保護(hù)

    隨著物聯(lián)網(wǎng)無(wú)人機(jī)應(yīng)用的日益廣泛和深入，安全與隱私保護(hù)是無(wú)人機(jī)應(yīng)用中一個(gè)不可回避的問(wèn)題。一方面，由于無(wú)人機(jī)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用將起到對(duì)用戶數(shù)據(jù)和服務(wù)的承載和傳遞，比如位置、速度等敏感信息，無(wú)人機(jī)的身份認(rèn)證與數(shù)據(jù)的安全加密是十分必要的，以防惡意攻擊。另一方面，當(dāng)無(wú)人機(jī)用于實(shí)時(shí)性要求很高的交通安全應(yīng)用時(shí)，比如車聯(lián)網(wǎng)中車輛間的碰撞檢測(cè)等需要作出快速?zèng)Q策的應(yīng)用，無(wú)人機(jī)應(yīng)具備針對(duì)不同應(yīng)用和服務(wù)自身處理能力自動(dòng)評(píng)估的能力，確保應(yīng)用安全。

3 結(jié)語(yǔ)

    本文較詳細(xì)地介紹了物聯(lián)網(wǎng)無(wú)人機(jī)應(yīng)用典型架構(gòu)及其特點(diǎn)以及實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難點(diǎn)。同時(shí)，詳細(xì)介紹了物聯(lián)網(wǎng)無(wú)人機(jī)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用案例。最后，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)無(wú)人機(jī)應(yīng)用未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

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作者信息：

劉青龍1，2，董家山2

（1.華南理工大學(xué) 電信學(xué)院，廣東 廣州510640；2.廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州510663）