無人機系統(tǒng)自主控制技術(shù)及應(yīng)用研究（上）

張健，郭潤兆，丁興志

航空工業(yè)第一飛機設(shè)計研究院

自主化無人機系統(tǒng)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中實現(xiàn)作戰(zhàn)優(yōu)勢的重要手段。通過剖析無人機系統(tǒng)自主控制概念和內(nèi)涵，結(jié)合無人機系統(tǒng)自主控制級劃分標(biāo)準(zhǔn)，分析了態(tài)勢感知與信息融合、任務(wù)規(guī)劃與決策、人機交互、人工智能和集群協(xié)同等自主控制關(guān)鍵技術(shù)。

無人機系統(tǒng)正在日新月異飛速發(fā)展并在多個領(lǐng)域取代有人駕駛飛機，與有人駕駛飛機相比，無人機系統(tǒng)更適合執(zhí)行枯燥的、骯臟的和危險的任務(wù)。自主化是無人機系統(tǒng)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中實現(xiàn)作戰(zhàn)優(yōu)勢的重要手段，提高無人機系統(tǒng)的自主化可以降低系統(tǒng)的人力需求和成本，擴大作戰(zhàn)范圍，增強作戰(zhàn)能力，從而顯著提高無人裝備作戰(zhàn)效能。

自主控制的定義和內(nèi)涵

自動化（自動控制）與自主化（自主控制）是兩個完全不同的概念，自動化已廣泛應(yīng)用于各種系統(tǒng)，通常指通過應(yīng)用軟件實現(xiàn)需要遂行的邏輯步驟或操作。傳統(tǒng)的自動化是指系統(tǒng)運行無需或很少需要人工操作，但系統(tǒng)的功能僅局限于設(shè)定的行動。已應(yīng)用于飛行器的自動化技術(shù)包括電傳操縱、傳感器信息融合、自動防撞、自動化制導(dǎo)與導(dǎo)航等技術(shù)。但從本質(zhì)上講，這些系統(tǒng)只是在一種或多種功能上實現(xiàn)了不同程度的自動化。自主化是指實物基于自身的知識和對周圍態(tài)勢的理解，獨立開發(fā)和選擇不同的行動過程以達(dá)到既定目標(biāo)的能力。通常指在更為廣泛的作戰(zhàn)條件、更為復(fù)雜的環(huán)境因素和更為多樣化的任務(wù)或行動中，綜合使用多種傳感器和更為復(fù)雜的軟件，提供更高層次自動化的行為。自主化的特征通常體現(xiàn)在系統(tǒng)獨立完成任務(wù)的程度，也就是說，自主系統(tǒng)要在極其不確定的條件下，完全排除外界干擾，即使在沒有通信或通信不暢的情況下，仍能彌補系統(tǒng)故障引發(fā)的問題，確保整個系統(tǒng)長時間可靠運營并完成任務(wù)。

自主化與自動化的區(qū)別是，自動化是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動，無人系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)程序執(zhí)行任務(wù)，沒有環(huán)境感知與決策能力；而自主化是基于信息甚至是知識驅(qū)動。也可以說，自主化是一種能力，有了這種能力，系統(tǒng)就能夠獨立完成某種特定的動作，或者在程序規(guī)定的范圍內(nèi)實現(xiàn)“自我管理”。但自主并不是指無人機系統(tǒng)脫離人的控制，相反，自主系統(tǒng)的設(shè)計和操控都是在人-機協(xié)作下完成，所有自主系統(tǒng)都是在操控員的監(jiān)視下工作，而且自主系統(tǒng)的軟件都設(shè)置了計算機行動與決策的界限。

無人機系統(tǒng)自主控制等級

圖1 自主化無人機系統(tǒng)能夠獨立完成某種特定任務(wù)。

為指導(dǎo)和規(guī)劃無人系統(tǒng)發(fā)展，美國國防部于2000年發(fā)布了《2000～2025年無人機路線圖》，隨后又分別發(fā)布《2002～2027年無人機路線圖》和《2005～2030年無人機系統(tǒng)路線圖》，對無人機系統(tǒng)自主控制等級進行了描述，內(nèi)容分別見圖2和表1。

圖2 無人機系統(tǒng)自主控制等級和發(fā)展趨勢。

從表1可以看出，無人機系統(tǒng)自主控制等級是按完成任務(wù)的過程來劃分，制約自主控制等級提升的主要因素包括計算機技術(shù)、通信技術(shù)和人工智能技術(shù)等。第1～4級自主控制等級（ACL1～ACL4）的著眼點是無人機個體：具有第1級自主控制等級（ACL1）的無人機，完全依靠操控員執(zhí)行任務(wù)；具有第2級自主控制等級（ACL2）的無人機系統(tǒng)，可以完成預(yù)編程任務(wù)，系統(tǒng)可以對自身的狀態(tài)進行健康診斷，并返饋工作狀態(tài)；具有第3級自主控制等級（ACL3）的無人機系統(tǒng)可以適應(yīng)一定程度的故障，并可在外界條件發(fā)生變化時完成既定任務(wù)；具有第4級自主控制等級（ACL4）的無人機系統(tǒng)，在飛行中能對地面威脅做出反應(yīng)，并對飛行路徑進行修正以躲避威脅。第5～9級自主控制等級（ACL5～ACL9）著眼點是多機編隊，具有第5級自主控制等級的無人機具備初步多機編隊協(xié)同功能；具有第6級自主控制控制的多架無人機在執(zhí)行任務(wù)過程中，能對突然出現(xiàn)的威脅目標(biāo)進行規(guī)避，通過編隊中各無人機的協(xié)同，分別完成既定任務(wù)；編隊中具有第7級自主控制等級的每架無人機能夠針對戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)，對任務(wù)進行規(guī)劃，高效實現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)；編隊中具有第8級自主控制等級的多架無人機采用分布式控制；編隊中具有第9級自主控制等級的無人機從戰(zhàn)略層面系統(tǒng)規(guī)劃，合理分配個體任務(wù)，實現(xiàn)戰(zhàn)略目標(biāo)；具有第10級自主控制等級（ACL10）的無人機集群無中心、自組織，能夠?qū)崿F(xiàn)分布式集群作戰(zhàn)。第10級代表無人機系統(tǒng)自主控制等級的最高等級，目標(biāo)是實現(xiàn)大規(guī)模無人機集群作戰(zhàn)。

表1 無人機系統(tǒng)自主控制等級表。

自主化的目標(biāo)是減少對人的依賴，面臨的主要挑戰(zhàn)是如何促進人與系統(tǒng)的融合，換句話說，自主化應(yīng)該開發(fā)支持人與系統(tǒng)的自然交互模式，以保證具有自主決策的系統(tǒng)能夠和人融為一體高效完成任務(wù)，因此自主控制等級應(yīng)依據(jù)工作負(fù)荷和對人的理解程度，在《2011～2036無人系統(tǒng)綜合路線圖》中，對自主控制等級進行了更通用化的描述，更多地考慮了人和無人機系統(tǒng)的相互影響。

而美國空軍小型無人機系統(tǒng)飛行計劃指出，美國空軍應(yīng)努力提高無人系統(tǒng)的自主控制等級，通過多機控制，降低對人力的需求，這也是未來美國空軍成功執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的關(guān)鍵。為此，需要按人工控制占比來進行人工控制占比劃分（圖2）。

《自主性在美國國防部無人系統(tǒng)中的地位》中指出，在對美國國防部資助的多個自主控制等級研究項目審查后，得出結(jié)論認(rèn)為，這些自主控制等級研究項目對于自主設(shè)計過程的幫助并不明顯。無論是在認(rèn)知科學(xué)的層面上，還是依據(jù)實際觀察結(jié)果，這些分類都具有誤導(dǎo)性，因而建議用自主系統(tǒng)參考框架替代自主控制等級。自主系統(tǒng)參考框架共包括三個方面的自主決策，即認(rèn)知層、任務(wù)時間軸和人-機復(fù)雜系統(tǒng)權(quán)衡空間。

如果從認(rèn)知層面來檢查設(shè)計方案，那么可以站在不同用戶的立場，更好地發(fā)揮自主控制等級作用，還能為擴大自主化范圍提供機遇。

在任務(wù)時間軸上，決策類型隨著時間變遷發(fā)生變化。通常把執(zhí)行任務(wù)的過程分成三個階段：啟動階段、執(zhí)行階段和結(jié)束階段。在無人機系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)的每個階段，自主技術(shù)都有不同的應(yīng)用空間。在啟動階段，可以在路徑規(guī)劃、自主起飛、意外情況應(yīng)對等階段應(yīng)用自主算法，還可以同時支持更為復(fù)雜的任務(wù)規(guī)劃。執(zhí)行階段離不開自主導(dǎo)航，還可以用來監(jiān)控故障或態(tài)勢變化，防止故障或態(tài)勢變化而導(dǎo)致任務(wù)失敗。在任務(wù)結(jié)束階段，可以利用自主技術(shù)返航、對收集到的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，并完成自主著陸。

表2 自主控制的四個等級。

圖3 人工控制占比圖。

在人-機復(fù)雜系統(tǒng)權(quán)衡空間，可以有效預(yù)測因資源失衡等可能引發(fā)的不良后果，并在各個權(quán)衡空間內(nèi)及時平衡協(xié)調(diào)系統(tǒng)性能，包含適應(yīng)度、計劃、影響力、視角和責(zé)任等內(nèi)容，從而有效減少自主技術(shù)帶來的風(fēng)險。

無人機系統(tǒng)自主控制關(guān)鍵技術(shù)

無人機系統(tǒng)自主控制主要面臨復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境、動態(tài)外部威脅、突發(fā)通信故障、隨機系統(tǒng)故障以及多種類型無人機協(xié)同等問題。為解決上述問題，需要突破一系列自主控制關(guān)鍵技術(shù)。

態(tài)勢感知與信息融合技術(shù)

無人機系統(tǒng)的飛行環(huán)境和自身狀態(tài)復(fù)雜多變，尤其在瞬息萬變的戰(zhàn)場，戰(zhàn)場態(tài)勢、威脅對象、無人機當(dāng)前的位置和姿態(tài)等都在變化。無人機系統(tǒng)從接受任務(wù)開始，到完成預(yù)定任務(wù)的全過程都離不開態(tài)勢感知。

態(tài)勢感知需要通過硬件和軟件實現(xiàn)。硬件即傳感器，有聲音、溫度、壓力、光等多種類型。根據(jù)感知目的，可以把無人機系統(tǒng)感知功能分為四大類：導(dǎo)航感知、任務(wù)感知、健康感知和操控感知。無人系統(tǒng)在進行導(dǎo)航、制導(dǎo)和控制時，離不開導(dǎo)航感知。導(dǎo)航感知技術(shù)是當(dāng)前發(fā)展最為成熟的技術(shù)，無人機系統(tǒng)可以通過視覺、聲音和激光等傳感器來導(dǎo)航。提高自主化導(dǎo)航感知能力，不但可以提高系統(tǒng)的精度，而且可以提高反應(yīng)速度和安全性。無人機系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)時需要任務(wù)感知支持、提高任務(wù)感知的自主性，可以降低操控員分析和判斷的工作負(fù)荷，降低對通信帶寬的需求，同時提高行動的隱蔽性。健康感知技術(shù)主要用于故障檢測和平臺健康管理。健康感知研究主要聚焦一般性軟件與硬件出現(xiàn)的故障，基于模型的故障檢測與修復(fù)。加強健康感知的自主性，可以加快故障檢測速度，有助于快速修復(fù)，提高用戶對系統(tǒng)的信任度。無人機系統(tǒng)任務(wù)完成的效果取決于操控感知。例如，執(zhí)行察打一體任務(wù)的無人機，在任務(wù)的最后階段，需要發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、識別目標(biāo)、跟蹤目標(biāo)并擊中目標(biāo)。提高自主性可以有效提高任務(wù)成功率。操控感知主要取決于移動操控技術(shù)，該過程的自主化程度越高，任務(wù)成功率越高。

圖4 無人機執(zhí)行任務(wù)的全過程離不開態(tài)勢感知。

各種傳感器獲得的飛行環(huán)境、導(dǎo)航定位、機載傳感器及數(shù)據(jù)鏈的輸入信息都是態(tài)勢感知的重要內(nèi)容。為全面掌握戰(zhàn)場態(tài)勢，需要對大量的信息進行特征抽取與分類，并對各種信息進一步融合。由于戰(zhàn)場環(huán)境越來越復(fù)雜，威脅的分布越來越分散，允許使用的資源越來越有限，決策需要的周期越來越短，這就需要增強無人機系統(tǒng)信息融合技術(shù)，減少數(shù)據(jù)傳輸量，縮短決策時間。

任務(wù)規(guī)劃與決策技術(shù)

任務(wù)規(guī)劃技術(shù)是指將當(dāng)前狀態(tài)改變?yōu)轭A(yù)期狀態(tài)的行動序列的計算過程?；蛘叨x為在盡可能少用資源的前提下，為實現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)而行動的過程。這一過程共有兩個關(guān)鍵點，一是描述行動和環(huán)境條件，設(shè)定目標(biāo)和資源最優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)；二是在滿足約束的條件下，建立計算行動序列和分配行動資源的算法。

任務(wù)規(guī)劃是一個獨立自主的動態(tài)決策過程，當(dāng)無人機系統(tǒng)收到新的傳感器信息、情報、指令，或當(dāng)不可預(yù)料的事件發(fā)生時，就要進行實時動態(tài)重規(guī)劃。以最優(yōu)的方式完成對預(yù)定任務(wù)規(guī)劃的更新，生成新的任務(wù)規(guī)劃。由于作戰(zhàn)環(huán)境和系統(tǒng)的不確定性，這種動態(tài)規(guī)劃應(yīng)在自主化的基礎(chǔ)上進行，主要內(nèi)容包括控制策略選擇和實時航跡規(guī)劃?？刂撇呗赃x擇是在設(shè)定的規(guī)則庫中進行最優(yōu)決策，有效協(xié)調(diào)或融合不同策略之間的沖突或競爭，從而得到最優(yōu)控制策略?？刂撇呗赃x擇通常在競爭協(xié)調(diào)和合作協(xié)調(diào)兩種機制之間選擇。實時航跡規(guī)劃中不僅要考慮各項約束和地形環(huán)境限制，還要考慮和預(yù)先任務(wù)規(guī)劃之間的關(guān)系，其約束條件主要有：地形或障礙、靜態(tài)或動態(tài)威脅、時間要求、飛行器性能指標(biāo)和目標(biāo)特性等，其本質(zhì)是一個多維多目標(biāo)優(yōu)化問題。

圖5 為全面掌握戰(zhàn)場態(tài)勢，需對大量信息進行特征抽取、分類與融合。

自主規(guī)劃和決策的關(guān)鍵在于，知道部署的最佳時間和方式，從而盡最大可能提高人-機系統(tǒng)的效率。然而，何種規(guī)劃器才能最大程度地彌補自主化系統(tǒng)和用戶自身知識的不足？如何開發(fā)這種規(guī)劃器？這些問題需要進一步探討。

人機交互技術(shù)

雖然無人機系統(tǒng)在操控上可以實現(xiàn)不同程度的自動化，但是在執(zhí)行任務(wù)時，關(guān)鍵操控都需要人機交互。因此，認(rèn)為無人機系統(tǒng)完全“無人”是錯誤觀點，因為人的因素是整個無人機系統(tǒng)的核心，人對于無人機系統(tǒng)的成功運用至關(guān)重要。

圖6 根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢變化實時完成動態(tài)任務(wù)規(guī)劃。

人機交互主要解決人與機器、計算機或工具如何協(xié)作，側(cè)重于人與機器之間雙向認(rèn)知交互關(guān)系，由機器承擔(dān)智能體的角色，在遠(yuǎn)離用戶、計算機或自動駕駛儀的位置運行。人機交互主要解決六大基礎(chǔ)研究問題：人與無人機系統(tǒng)如何溝通，如何為人與無人機系統(tǒng)之間的工作、娛樂或相應(yīng)的交互關(guān)系建模，如何研究并提高人與無人機系統(tǒng)之間的配合度，如何預(yù)測人與無人機系統(tǒng)協(xié)作的可用性和可靠性，如何捕獲和表達(dá)人與無人機系統(tǒng)在特殊應(yīng)用領(lǐng)域中的交互關(guān)系，以及如何刻畫終端用戶。

研究人與無人機系統(tǒng)之間的關(guān)系，有助于改進系統(tǒng)性能，減少系統(tǒng)操控成本和設(shè)計成本，提高現(xiàn)有系統(tǒng)對新環(huán)境的適應(yīng)能力。通過改善人與無人機系統(tǒng)之間的協(xié)作關(guān)系，可以提高系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)的速度，同時降低失誤率，如果同時能改善通信質(zhì)量，提高應(yīng)用程序的可用性和可靠性，那將減少系統(tǒng)操控人員的需求量，降低無人機系統(tǒng)的全壽命周期成本。通過提高人機交互水平，不僅可以提高無人機系統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行能力，還可以提高人類對系統(tǒng)的信任度。

人機接口是人機交互的重要組成部分，人機接口設(shè)備比較多，輸入通道從最初的操作手柄輸入、鍵盤輸入，發(fā)展到語音輸入、手勢輸入、激光信號輸入和腦電波輸入等新型輸入方式，人機接口設(shè)備也從普通的臺式發(fā)展到穿戴式和便攜式，而且平板電腦、智能電話也將應(yīng)用于無人機系統(tǒng)。

人機比例是系統(tǒng)開發(fā)過程中需要探討的一個重要問題，在當(dāng)前技術(shù)條件下，人機比例通常大于1。雖然自主化的目標(biāo)是降低人機比例，但在不考慮人機交互原則的前提下盲目降低人機比例顯然不合理。在人機交互研究過程中，無人機系統(tǒng)的道德規(guī)范也應(yīng)受到關(guān)注。

人工智能技術(shù)

人工智能（Artificial Intelligence）是一種非人類智能，這種能力可通過復(fù)制人類精神活動，諸如圖案識別、自然語言理解等，從經(jīng)驗或類似的推理過程中，獲得適應(yīng)性認(rèn)知能力來衡量。

人工智能系統(tǒng)可以在給定約束和方向的前提下，通過獲取相關(guān)信息，提取解決問題所需的專門知識，以目標(biāo)為導(dǎo)向，通過把知識轉(zhuǎn)化為決策和可執(zhí)行的行動，最終實現(xiàn)目標(biāo)。在這個過程中，問題、領(lǐng)域知識、預(yù)期目標(biāo)都需要由人預(yù)先給定。按照目前腦神經(jīng)科學(xué)和認(rèn)知科學(xué)的研究成果，將人類智能的信息處理過程，按照信息科學(xué)理論分為感知、認(rèn)知、決策、執(zhí)行（OODA）四個環(huán)節(jié)。感知（Observation）指系統(tǒng)對環(huán)境和目標(biāo)的持續(xù)跟蹤與特征獲取；認(rèn)知（Orientation）指壓縮感知信息，并對未來態(tài)勢進行預(yù)測的信息處理技術(shù)；決策（Decision）指整合加工認(rèn)知信息，產(chǎn)生決策意圖并不斷增強全面性和時效性；執(zhí)行（Action）指將決策意圖分解為執(zhí)行系統(tǒng)的操縱序列指令信息的過程。

機器學(xué)習(xí)現(xiàn)已成為開發(fā)智能自主系統(tǒng)最有效的辦法之一。大體而言，從數(shù)據(jù)中自主獲取信息比手動知識工程的效率更高。計算機視覺最新技術(shù)系統(tǒng)開發(fā)、機器人技術(shù)、自然語言理解和規(guī)劃主要依賴于自主學(xué)習(xí)。通過在大量具體數(shù)據(jù)中尋找可靠的模式，不僅可以使自主系統(tǒng)的精確性和魯棒性高于人工，還可以使系統(tǒng)根據(jù)實際運行經(jīng)驗自動地適應(yīng)新環(huán)境。

圖7 提高人機交互水平，進而提升無人機系統(tǒng)作戰(zhàn)能力。

人工智能技術(shù)主要面向作戰(zhàn)，以軍事應(yīng)用為背景，基于人機交互智能系統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行想定，通過不斷提升機器的智能水平，使航空裝備在強實時、高動態(tài)、不確定態(tài)勢和不完備信息條件下，能夠逐步實現(xiàn)對人的輔助，協(xié)同以及融合，不斷提升人機混合智能系統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行效能。具體來說，機載設(shè)備智能化水平的提高，意味著人類操控員可以將更多的循環(huán)任務(wù)移交給機器。以軍用航空裝備使用場景為例，按照現(xiàn)代空中作戰(zhàn)理論，在飛機能力相同，敵方可見，武器可達(dá)的情況下，循環(huán)速度決定了空中作戰(zhàn)的成敗，整體循環(huán)速度越快取勝機率越大。當(dāng)前循環(huán)速度的落差是制約空戰(zhàn)平臺性能發(fā)展的瓶頸，表現(xiàn)為信息量太大，人機融合困難。航空人工智能技術(shù)發(fā)展的指導(dǎo)思想是，通過調(diào)整人機分工，優(yōu)化人機協(xié)同效率，提升航空裝備整體智能化水平。

圖8 人工智能技術(shù)不斷提升人機交互智能系統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行效能。

圖9 自主化組網(wǎng)的無人機集群將執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)。

無人機集群技術(shù)

無人機集群能實現(xiàn)對重要目標(biāo)的大范圍防御，同時支持從多個方向突防和戰(zhàn)場機動性對抗，能在關(guān)鍵時刻和位置形成數(shù)量上的優(yōu)勢。無論防御還是進攻，都能發(fā)揮出意想不到的效果。

集群的本質(zhì)是自主化組網(wǎng)的多架無人機，在統(tǒng)一指揮下通過協(xié)同工作執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)。無人機集群是集群戰(zhàn)術(shù)的基礎(chǔ)，通信網(wǎng)絡(luò)是集群戰(zhàn)術(shù)的紐帶，無人機集群通過網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議實時分享個體從傳感器獲得的局部信息，還能夠及時獲取作戰(zhàn)體系中其它途徑獲得的信息，同時監(jiān)控每架無人機個體和集群的狀況，迅速根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢演變，通過自主化決策或外部干預(yù)，及時調(diào)整集群的作戰(zhàn)部署和個體的任務(wù)分配。

無人機集群作戰(zhàn)需要重點突破的關(guān)鍵技術(shù)包括大規(guī)模無人機集群管理與協(xié)同控制、無人機自主編隊飛行、集群感知與態(tài)勢共享、集群協(xié)同任務(wù)分配等。

（未完待續(xù)）