人工智能為無人機(jī)賦能的核心技術(shù)方案探究

從手動飛行到人工駕駛，從無人值守作業(yè)到智能化自主作業(yè)，如今，飛行器科技創(chuàng)新進(jìn)入了空前密集的活躍期。鑒于此，本文結(jié)合專利文獻(xiàn)和相關(guān)的開源科技情報信息對“無人機(jī) + 人工智能”的技術(shù)方案進(jìn)行了綜合分析，以探究其核心技術(shù)方案和未來發(fā)展趨勢。

基本情況

無人機(jī)（UAV）相比傳統(tǒng)載人飛機(jī)具有體積小、重量輕、造價低、編組靈活等特點(diǎn)，不僅在低空經(jīng)濟(jì)（物流、航拍、表演等）等民用領(lǐng)域提供了新質(zhì)生產(chǎn)力，還在俄烏、巴以戰(zhàn)爭等軍用領(lǐng)域中展現(xiàn)出巨大價值。在高速發(fā)展的人工智能（AI）浪潮席卷全球的過程中，涌現(xiàn)出越來越多的利用AI技術(shù)為UAV進(jìn)行賦能的技術(shù)方案，如：美國SkyDefenseLLC公司推出的“CobraJet低成本人工智能反無人機(jī)系統(tǒng)”、韓國柯南技術(shù)公司的“數(shù)字孿生賦能的人工智能飛行員開發(fā)與無人機(jī)測試”以及大疆發(fā)布全新小型智能多光旗艦系列UAV，內(nèi)置人、車、船目標(biāo)檢測AI模型等。AI如何與UAV完美結(jié)合并為其賦能，成為本領(lǐng)域的科技工作者亟待解決的技術(shù)問題。

主要技術(shù)方案分析

通過對近5年6493項(xiàng)與UAV+AI相關(guān)專利文獻(xiàn)及相關(guān)科技信息情報信息的綜合分析研判，得出UAV+AI系統(tǒng)的主要技術(shù)方案包括：

智能控制技術(shù)：是UAV實(shí)現(xiàn)自主飛行和執(zhí)行任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)，用于提供智能化的控制和決策。該技術(shù)主要包括：AI人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、物聯(lián)網(wǎng)、計算機(jī)視覺、攝像頭、圖像識別、預(yù)處理、圖像處理、目標(biāo)檢測、圖像數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)集等技術(shù)。

飛行控制技術(shù)：是保證UAV穩(wěn)定、精確飛行的基礎(chǔ)。該技術(shù)包括以下幾項(xiàng)。姿態(tài)控制：通過慣性測量單元（IMU）和陀螺儀等傳感器獲取飛器的姿態(tài)信息，再基于飛行控制算法對姿態(tài)進(jìn)行控制，確保飛行平穩(wěn)；自動控制：通過預(yù)設(shè)航線或程序來自主飛行，如自動起飛、航線規(guī)劃、自主降落等；高度與速度控制：通過與壓計激光高度計、GPS等傳感器實(shí)時獲取高度和速度信息，并通過控制器來調(diào)節(jié)推力、螺旋槳轉(zhuǎn)速等參數(shù)來實(shí)現(xiàn)UAV高度和速度的精準(zhǔn)控制。

傳感器技術(shù)：用于實(shí)時采集UAV所處的位置、速度、高度、姿態(tài)等飛行數(shù)據(jù)，為自主控制飛行做數(shù)據(jù)支持。該傳感器主要包括：GPS、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、氣壓計、磁力計、紅外線傳感器、激光、雷達(dá)等。

通信技術(shù)：既可以用于UAV與地面控制中心進(jìn)行實(shí)時通信，接收控制指令和數(shù)據(jù)傳輸，又可以用于無人機(jī)集群中各個UAV單體之間的交互通信。該技術(shù)主要包括：無線電通信、衛(wèi)星通信等技術(shù)。

能源技術(shù)：為UAV提供穩(wěn)定的能源供應(yīng)，保證飛行時間和飛行距離。該能源主要包括：電池和太陽能技術(shù)。

技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)案例分析

通過綜合智能控制技術(shù)、飛行控制技術(shù)和通信技術(shù)的典型UAV +Al 案例進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)分析。

案例基本情況

申請人：韓國Rainbowtech公司，公開號：KR102586149B，申請日期：2022年12月29日，申請的發(fā)明名稱：利用數(shù)字孿生的災(zāi)害安全管理平臺的專利。

背景技術(shù)

數(shù)字孿生是指在虛擬空間中創(chuàng)建與真實(shí)事物完全相同的物體（孿生體）并通過各種模擬進(jìn)行驗(yàn)證的技術(shù)。使用數(shù)字孿生技術(shù)，可以監(jiān)控虛擬世界中的設(shè)備、系統(tǒng)和城市環(huán)境的狀態(tài)，并確定和改進(jìn)維護(hù)、維修和管理時間。

發(fā)明目的

本發(fā)明旨在提供一種平臺，通過構(gòu)建數(shù)字孿生城市，并將城市中的物體與預(yù)先利用人工智能構(gòu)建的數(shù)字孿生城市信息進(jìn)行比較和分析，能夠更加快速、便捷地提前預(yù)防物體的災(zāi)害。

核心創(chuàng)新點(diǎn)技術(shù)方案如圖1所示，該發(fā)明的數(shù)字孿生應(yīng)用災(zāi)害安全管理平臺主要包括：無人機(jī)100和災(zāi)害安全管理系統(tǒng) 200 。其中，無人機(jī)100用于生成構(gòu)建數(shù)字孿生城市的城市圖像數(shù)據(jù)，并且生成需要災(zāi)害安全管理的對象圖像數(shù)據(jù)。災(zāi)害安全管理系統(tǒng)200用于構(gòu)建數(shù)字孿生城市，在預(yù)測災(zāi)害時選擇需要進(jìn)行災(zāi)害安全管理的對象，使用無人機(jī)100接收關(guān)于需要災(zāi)害安全管理的對象的圖像數(shù)據(jù)，并使用AI對其進(jìn)行分析，生成災(zāi)害安全管理消息并傳送到管理該對象的管理器300以通知其提前預(yù)防災(zāi)害。該發(fā)明的數(shù)字孿生應(yīng)用災(zāi)害安全管理平臺的災(zāi)害安全管理方法主要包括以下步驟：

第一步：利用無人機(jī)100捕獲的城市圖像數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)字孿生城市。數(shù)字孿生城市是通過將無人機(jī)100捕獲的城市環(huán)境、城市內(nèi)的建筑物和城市基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化并使用數(shù)字孿生技術(shù)來構(gòu)建的。具體可以通過使用GIS（地理信息系統(tǒng)）坐標(biāo)系將數(shù)字孿生信息匹配到同一坐標(biāo)系，將城市內(nèi)各種物體的信息集成為圖層格式的信息。該數(shù)字孿生城市信息可以定期更新。例如，根據(jù)相關(guān)法律數(shù)字孿生城市內(nèi)的建筑物每三年定期使用無人機(jī)100收集和更新高精度數(shù)字孿生信息。

第二步：選擇災(zāi)害管理對象。在預(yù)測發(fā)生災(zāi)害時選擇相關(guān)對象（例如受災(zāi)的城市建筑物、公共設(shè)施（如道路、港口、橋梁、隧道、大型體育設(shè)施等）、河流、戶外廣告設(shè)施、交通信號系統(tǒng)、人口稠密地區(qū)等），獲取該對象的備災(zāi)相關(guān)信息，并預(yù)測是否會發(fā)生災(zāi)害。選擇特定時間的易受災(zāi)害對象并分析其災(zāi)害相關(guān)信息。例如，臺風(fēng)發(fā)生時，檢查室外木材或舊建筑的狀況，以確定是否能免受臺風(fēng)災(zāi)害；雨季期間，檢查河流的狀況，以預(yù)測是否會發(fā)生洪水。另外，在大型活動發(fā)生的旅游旺季，評估人口密度水平，實(shí)時判斷因人群聚集而發(fā)生事故的可能性。

第三步：拍攝所選對象并生成有關(guān)該對象的更精確的信息。無人機(jī)100精確地拍攝對象并將關(guān)于該對象的精確圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到災(zāi)害安全管理系統(tǒng)200。

第四步：災(zāi)害安全管理系統(tǒng)200使用人工智能將從無人機(jī)100接收到的物體圖像數(shù)據(jù)與已經(jīng)存儲在數(shù)字孿生城市中的物體的信息進(jìn)行比較和分析。具體是將數(shù)字孿生城市的物體信息處理成大數(shù)據(jù)，利用人工智能對當(dāng)前重新拍攝的數(shù)字孿生城市大數(shù)據(jù)物體信息所獲得的物體信息進(jìn)行對比分析，以確定數(shù)字孿生城市的脆弱程度。例如，以建筑物為例，將數(shù)字孿生城市中存儲的建筑物過去的裂紋狀態(tài)信息與無人機(jī)100重新拍攝得到的建筑物當(dāng)前的裂紋狀態(tài)信息進(jìn)行比較分析，以確定劣化程度并通過數(shù)據(jù)分析，可以根據(jù)開裂程度判斷建筑物的老化狀況。

第五步：針對所選擇的對象生成災(zāi)難安全管理消息并將其通知給相應(yīng)的管理器300。為了防止災(zāi)難，當(dāng)預(yù)測到災(zāi)難時，災(zāi)難安全管理系統(tǒng)200向相應(yīng)對象的管理器300實(shí)時通知災(zāi)難安全管理消息。

技術(shù)效果

通過預(yù)測運(yùn)行過程中可能發(fā)生的各種情況，可以驗(yàn)證安全性或預(yù)防意外事故，從而降低事故風(fēng)險，還可以提高生產(chǎn)力、優(yōu)化設(shè)備并改善城市生活環(huán)境。

發(fā)展趨勢展望

1、未來UAV會朝著更加智能化的方向發(fā)展。AI技術(shù)的融入使得UAV如虎添翼，可以在短時間內(nèi)分析海量的飛行數(shù)據(jù)，為飛行提供精準(zhǔn)的決策支持，能夠顯著提高任務(wù)的執(zhí)行效率和成功率。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)的樣本數(shù)量的增加，AI會持續(xù)優(yōu)化戰(zhàn)術(shù)決策流程，從而持續(xù)優(yōu)化決策能力。此外，多線程，多維度的智能控制方式，使得UAV在執(zhí)行任務(wù)期間，能夠自主應(yīng)對意外威脅和緊急事件，能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境，同時執(zhí)行多樣化任務(wù)。

2、未來UAV會朝著功能模塊化的方向發(fā)展。功能模塊可以根據(jù)不同任務(wù)需求進(jìn)行快速專業(yè)定制和批量升級。不同功能模塊靈活集成一體，受損模塊可以及時更換，便捷的拆裝方式不僅可以縮短組裝時間、降低了成本，還可以提高UAV的適應(yīng)性和生存能力。

3、未來UAV會朝著精確識別的方向發(fā)展。通過搭載高分辨率攝像頭、紅外傳感器等先進(jìn)設(shè)備，無人機(jī)可以對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行大范圍、高精度的偵察和監(jiān)視。AI算法能夠?qū)崟r分析圖像和數(shù)據(jù)，提取關(guān)鍵信息，能夠精確識別、跟蹤和鎖定目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)精確打擊。這不僅可以提高打擊效果，還可以減少誤傷風(fēng)險。

4、未來UAV會朝著自主導(dǎo)航、防干擾與避障的方向發(fā)展。無人機(jī)防電磁干擾能力進(jìn)一步增強(qiáng)，并通過集成先進(jìn)的自主導(dǎo)航系統(tǒng)和傳感器，無人機(jī)可以實(shí)時感知周圍環(huán)境，自主規(guī)劃飛行路線，并避開障礙物。這不僅可以提高UAV的安全性和可靠性，還可以在復(fù)雜多變的環(huán)境中自主執(zhí)行任務(wù)。