無人機系統(tǒng)自主控制技術(shù)及應用實踐分析

黃波　詹金棍　謝林峰　張珉璐

摘 要：本文在研究中以無人機系統(tǒng)自主控制技術(shù)為核心，分析無人機系統(tǒng)自主控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，明確無人機系統(tǒng)自主控制技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)，提出無人機系統(tǒng)自主控制技術(shù)應用實踐，促進無人機系統(tǒng)的應用發(fā)展，并為相關(guān)研究人員提供一定的借鑒和幫助。

關(guān)鍵詞：無人機系統(tǒng) 自主控制技術(shù) 無人操作 應用實踐

中圖分類號：V27 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）01（c）-0065-02

自主控制技術(shù)作為無人機系統(tǒng)核心技術(shù)，可以實現(xiàn)無人操作而執(zhí)行設定任務，現(xiàn)階段我國無人機系統(tǒng)自主程度與智能程度偏低，以操作員遙控、預編程控制為核心，這種控制技術(shù)無法應對變化的運行環(huán)境，對突發(fā)威脅處理不到位，無論是生存還是打擊時敏目標，都處于低效狀態(tài)。隨著無人機系統(tǒng)逐漸自主化和智能化，提出無人機自主控制技術(shù)，讓無人機系統(tǒng)根據(jù)運行環(huán)境，及時應對突發(fā)狀況，并對時敏目標準確定位，提高無人機系統(tǒng)的自主水平，感知運行環(huán)境，強化目標定位的精確度，增強任務執(zhí)行的靈活性，自主控制技術(shù)是未來無人機系統(tǒng)發(fā)展的主要方向。在這樣的環(huán)境背景下，探究無人機系統(tǒng)自主控制技術(shù)及應用實踐具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 無人機系統(tǒng)自主控制技術(shù)的應用要求

在無人機系統(tǒng)自主技術(shù)實際應用中，具備環(huán)境感知能力和態(tài)勢認知能力，使得無人機系統(tǒng)可以在惡劣環(huán)境下，實現(xiàn)更廣范圍下目標感知和識別，自主能力水平較高，可以在復雜環(huán)境下自我決策，進而完成任務；具備自主導航能力和控制能力，無人機系統(tǒng)運用自主導航技術(shù)與智能控制技術(shù)，除了在規(guī)定范圍內(nèi)進行導航定位，還可以控制無人機復雜動作，實現(xiàn)大范圍內(nèi)定位和精確打擊，面對復雜環(huán)境自我決策和規(guī)劃，突出無人機系統(tǒng)自主控制技術(shù)的自主性與抗干擾性[1]。

2 無人機系統(tǒng)自主控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 理論研究現(xiàn)狀

自主控制主要處于非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下實行的高度自動控制，這種對自控控制概念的定義主要強調(diào)無人機系統(tǒng)在無人干預情況下的環(huán)境感知能力。而另外一種說法是自主控制涵蓋了在線感知、控制重構(gòu)、信息處理等功能，操作員不會直接控制，而是強調(diào)無人機系統(tǒng)的自我決策和自我控制，這是自動控制的高層次發(fā)展。一般而言，常規(guī)控制與自主控制的主要差距在于是數(shù)據(jù)驅(qū)動還是信息知識驅(qū)動，數(shù)據(jù)驅(qū)動則無智能，而基于信息知識驅(qū)動則具備高程度智能，可以應對惡劣的運行環(huán)境和控制任務[2]。在大量的研究實踐中，明確無人機系統(tǒng)自主控制的概念，特指在無人干預的情況下，借助在線環(huán)境感知與信息處理功能，自主生成控制策略，以完成戰(zhàn)術(shù)任務，具備快速和高效的任務適應能力。

2.2 技術(shù)研究現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，我國無人機系統(tǒng)自主控制技術(shù)研究工作已頗有成效，提出無人機系統(tǒng)的自主、智能控制，借助模型預測控制提高UAV智能程度和自主水平，并研究自主控制技術(shù)中的智能態(tài)勢感知，但和國外先進技術(shù)相比，還存在一些差距。美軍的全球鷹和捕食者均已達到2～3級ACL，聯(lián)合無人空戰(zhàn)系統(tǒng)和升級版X47-B已達到5～6級，復雜而非結(jié)構(gòu)化的運行環(huán)境、突發(fā)事件、遠距離運行可能發(fā)生通信線路故障、外部威脅等挑戰(zhàn)，為了幫助無人機系統(tǒng)自主控制技術(shù)應對這些挑戰(zhàn)，要將智能控制常規(guī)控制結(jié)合在一起，處理運行高度不確定性，以智能控制為途徑，提高無人機系統(tǒng)自主能力，并對這種能力進行的等級劃分，完善理論支撐和定量衡量指標，實現(xiàn)無人機系統(tǒng)自主控制技術(shù)的完善和優(yōu)化[3]。但總體來說，國內(nèi)外無人機系統(tǒng)的自主控制水平不高，突發(fā)事件的感知、判斷和處理能力薄弱，從指揮控制過渡到監(jiān)督控制，最后完全實現(xiàn)自主控制。

3 無人機系統(tǒng)自主控制技術(shù)的應用實踐

無人機自主控制系統(tǒng)統(tǒng)一管理各個系統(tǒng)，協(xié)調(diào)配合完成任務，其自主控制結(jié)構(gòu)包括分層遞階式結(jié)構(gòu)、包容式體系結(jié)構(gòu)、分布式體系結(jié)構(gòu)，在實際應用中可表現(xiàn)出以下幾點：

3.1 感知與認知

無人機系統(tǒng)在執(zhí)行任務時，可以感知非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，分析自然環(huán)境和運行環(huán)境，并實現(xiàn)對二者的識別和感知，理解運行環(huán)境的態(tài)勢，面對復雜而惡劣的環(huán)境下，以拼陣攝像、高速視覺計算、目標檢測識別等技術(shù)，融合信息分析和威脅估計，評估環(huán)境態(tài)勢，完成任務。除了感知非結(jié)構(gòu)化環(huán)境之外，無人機系統(tǒng)自主控制技術(shù)可以對復雜環(huán)境進行感知和學習，這種環(huán)境認知技術(shù)可以讓無人機系統(tǒng)在實際應用中及時收集信息，感知、識別和理解運行環(huán)境，這是無人機系統(tǒng)達到高層次自主的基礎。

3.2 規(guī)劃與控制

在實際應用中，自主控制技術(shù)賦予無人機系統(tǒng)規(guī)劃和控制功能，可以解決復雜運行環(huán)境的不確定性，通過自主行為提高無人機系統(tǒng)執(zhí)行能力。第一，實施規(guī)劃P重規(guī)劃和監(jiān)督控制，幫助無人機系統(tǒng)在實際運行過程中存在突發(fā)情況、動態(tài)任務規(guī)劃、監(jiān)督控制等問題，有效提高無人機系統(tǒng)在執(zhí)行任務過程中的反應能力和信息處理能力。同時，在執(zhí)行任務情況下進行自動化任務規(guī)劃，涉及到航線、傳感器、通信規(guī)劃等，智能化管理和監(jiān)督任務執(zhí)行情況，并對任務執(zhí)行狀態(tài)進行警告，完成執(zhí)行任務[4]。第二，多機西協(xié)調(diào)規(guī)劃和控制。在無人機實際運行中，自動控制技術(shù)可以針對感知、執(zhí)行、通信、環(huán)境動態(tài)變化等情況，預測和考慮可能發(fā)生各種極端情況，解決多個無人機的執(zhí)行任務的分配和協(xié)調(diào)，消解多任務之間的沖突，實現(xiàn)多個無人機系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運作，集群自組織，進而完成執(zhí)行任務。第三，機載智能自主控制。這是無人機自主控制技術(shù)的基礎，幫助無人機系統(tǒng)在無人干預或是設備支持的情況下，面對惡劣環(huán)境完成執(zhí)行任務，可以實現(xiàn)無人機系統(tǒng)自主飛行控制、行為決策、故障預測、感知回避等功能，完成執(zhí)行任務。

3.3 協(xié)同與交互

在無人機系統(tǒng)自主控制技術(shù)應用實踐中，協(xié)同與交互是主要應用方式，借助協(xié)同與交互技術(shù)，可以幫助無人機系統(tǒng)實現(xiàn)機機或是人機間的協(xié)作和交流，達到有人和無人平臺的協(xié)同作戰(zhàn)，具體可表現(xiàn)為以下幾方面：第一，協(xié)同運行。協(xié)同運行特指無人機、有人機、任務控制站和指揮系統(tǒng)的相互聯(lián)通和操作，支持有人機和無人機的協(xié)同運作，實現(xiàn)開放式實施協(xié)同體系結(jié)構(gòu)的跨平臺信息分發(fā)，保證多平臺數(shù)據(jù)時空的一致性，做好資源管理調(diào)度工作，生成多種協(xié)同支持機制，保證多個系統(tǒng)設備之間的交互程度，進而完成執(zhí)行任務[5]。第二，人機系統(tǒng)綜合。人機系統(tǒng)綜合主要是人與計算機的智能融合，提高人機協(xié)同效率，強化無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的執(zhí)行效能和可靠性，即使在高度自主無人機中，人機系統(tǒng)綜合技術(shù)可以為無人機系統(tǒng)提供高層目標，實現(xiàn)無人機平臺和系統(tǒng)間的協(xié)作和交互，使得無人機系統(tǒng)可以動態(tài)化分配任務，明確事件發(fā)展態(tài)勢，提供腦機接口，幫助無人機完成執(zhí)行任務。

4 結(jié)語

綜上所述，無人機系統(tǒng)自主控制技術(shù)的應用要求要具備環(huán)境感知能力、態(tài)勢識別能力、自主導航能力、自我決策能力等，并在實踐中，利用自主控制技術(shù)，實現(xiàn)無人機系統(tǒng)的感知與認知、規(guī)劃與控制、協(xié)同與交互，完成執(zhí)行任務，進而實現(xiàn)無人機系統(tǒng)自主控制技術(shù)的應用價值。

參考文獻

[1] 朱華勇，牛軼峰，沈林成，等.無人機系統(tǒng)自主控制技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].國防科技大學學報，2017， 32（3）：115-120.

[2] 賀若飛，李大健，劉宏娟，等.無人機自主控制應用需求及研究發(fā)展分析[J].火力與指揮控制，2016，41（5）：1-5.

[3] 楊珂.無人機系統(tǒng)自主控制技術(shù)研究現(xiàn)狀與未來趨勢[J].科技傳播，2016，8（8）：52-53.

[4] 馬曉.淺析無人機系統(tǒng)自主控制技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].科技資訊，2016，14（17）：1.

[5] 尹彥清.基于神經(jīng)網(wǎng)絡的無人機動態(tài)逆自主飛行控制系統(tǒng)研究[D].南京航空航天大學，2017.