基于飛行安全的無人機控制技術發展趨勢研究

韓泉泉+席慶彪+劉慧霞+張波

摘 要： 從無人機飛行安全的角度出發，研究分析了目前國內外無人機控制技術的發展現狀，提出了基于飛行安全的無人機控制技術的發展需求，采用自主控制和人工決策相結合的控制技術，提高無人機飛行操縱過程中的自主控制能力，降低人為操縱的干預程度，從而有效提高無人機系統的安全性。

關鍵詞： 飛行安全； 無人機； 自主控制； 人工控制； 飛行操控模式

中圖分類號： TN973?34； V279； V249.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）13?0022?04

Development trends of UAVs control technology based on flight safety

HAN Quan?quan1， XI Qing?biao2， LIU Hui?xia2， ZHANG Bo2

（1. Xian ASN Technology Group Company， Xian 710065， China；

2. Institute of UAV Technology， Northwestern Polytechnic University， Xian 710065， China）

Abstract： The current unmanned aerial vehicle （UAV） control technology at home and abroad is researched to ensure the flight safety. The development demands for UAV control technology based on the flight safety are proposed. The control technology combining the autonomous control and human decision is adopted to enhance the adaptive control ability during the flight and reduce the manual interference， so that the safety of the UAV system is improved effectively.

Keywords： flight safety； UAV； autonomous control； human control； flight handling mode

0 引 言

在近年的歷次局部戰爭和反恐任務中，無人機都發揮了重要的作用，其發展勢頭十分迅猛。但是，隨著無人機性能的提高，其操縱控制也趨于復雜化，從而導致飛行操縱員以及指揮員的壓力劇增，并嚴重影響了無人機系統的安全性。

1 概念及研究意義

1.1 概念

無人機的控制方式有兩種，一種是無人機飛行操縱員通過地面控制站控制/管理無人機飛行，即人工控制方式；第二種是通過使用機載計算機、通信鏈路和為保證無人機安全運行所需要的任何其他輔助設備進行自主飛行，即自主控制方式。

自主控制由于缺乏人為直接的控制決策，其含義強調“無外界控制干涉”，以及“自我控制決策”。從這個意義上講，自主控制可以看成是自動控制的高級發展階段，本質上屬于智能控制，是一多學科的交叉，涉及到自動控制、人工智能、運籌學、信息論、系統論、計算機科學、人類工程學等。其中自動控制實現過程閉環動態反饋控制，保證系統的運動學和動力學的優良品質；人工智能提供信息處理、形式語言、啟發式推理、記憶、學習和優化決策等功能；運籌學完成系統的規劃、管理、協調與調度等功能；信息論提供信息傳遞、信息變換、知識獲取、知識表示和人機通信等功能[1]。

自主控制是在“非常”未組織的環境結構下采用的“高度”自動控制。其中“高度”自動控制指的是無人、無外界干預的控制過程，而未組織的環境結構主要是由不確定性所引起的。一般不確定性分為如下幾種：參數不確定性；未建模動態；隨機擾動；傳感器/量測裝置噪聲；多agent及復雜的信息模式；某個附加的控制信號為敵方操縱；量測噪聲強度被我方和/或敵方干擾臺所控制；敵方在決定性的量測或控制中引入錯誤的信息等[2]。

1.2 研究意義

無人機飛行操縱員采用地面控制站或小型控制設備遠程遙控無人機實施飛行操縱、任務操縱和系統管理。無人機操縱控制是一項極具專業性的工作，飛行操縱員操作失誤是造成無人機飛行事故的主要因素之一。

根據統計，美軍無人機在2001—2011年的10年期間，共發生了95起飛行事故，同時數據還顯示，在無人機的飛行事故中，起飛與著陸過程中發生的機毀事故占的比例較高。調查發現，由于“人為因素”導致無人機墜機的比例達到了75%，例如“捕食者”無人機，其80%的墜毀事故都為人為差錯[3]。

隨著無人機軍事用途的不斷擴展、各軍兵種裝備無人機種類越來越多以及各兵種無人機協同作戰的需要，飛行操縱員將面臨著“爆炸式”的信息涌入，客觀上需要飛行操縱員根據戰場信息的變化，及時、準確地制定和控制無人機作戰，將導致飛行操縱員以及指揮員的壓力劇增，甚至無法應對。

針對人為操控原因引起的飛行安全問題，主要的解決路徑就是發展自主控制技術。無人機的自主控制可在很大程度上降低其對人工操縱的依賴程度，避免操縱人員可能出現的誤判斷、誤操作以及長時間飛行可能給操縱人員心理產生影響等因素對無人機的飛行安全造成影響，從而提高其在不確定環境和突發事件中的生存能力。

另一方面，在當今技術水平發展限制條件下，研究無人機自主控制與人工操縱融合控制技術，有利于發揮自主控制的智能性和人工控制的決策能力，最大限度地將無人機飛行事故降低至最小程度，提高無人機作戰效能。研究自主控制完全等級和人工操縱完全等級范疇以及相合點，在飛行事件突發情況下求解自主控制與人工操縱最優安全等級，檢測部件和控制要素的安全性，盡可能最大限度利用這些安全要素進行自主控制機動和最少人工干預負荷來控制無人機安全飛行，甚至執行作戰任務。

2 國內外現狀

2.1 國外現狀

美國的無人機技術處于世界前列，其無人機的發展方向代表了世界無人機的發展趨勢。為了指導和規劃美國無人機的發展，美國國防部在2000—2007年共公開發表了4個官方文件：《2000—2025年無人機路線圖》、《2002—2027年無人機路線圖》、《2005—2030年無人機系統路線圖》和《2007—2032年美國無人系統路線圖》。其中給出了美軍無人機自主控制等級的發展趨勢圖，把自主控制的級別劃分為十個等級，以此作為評價無人機自主程度的標準，其等級定義[4]見表1。

無人機路線圖對具有代表性的、在研的和已規劃的無人機的自主控制等級進行了較明確的定義[4]，見表2。

由表2可以看出，目前由于技術條件的限制， “捕食者”無人機僅達到2級的自主程度，而赫赫有名的“全球鷹”無人機也只有接近3級的自主程度，無人機的自主化程度還較低。

2.2 國內現狀

近幾年，國內一些學者對無人機自主控制等級進行了分析[5?7]， 還有一些學者相繼提出了幾種無人機自主控制能力的分級方式[8?10]。其中一種分級方式是將自主控制的能力衡量等級由低到高分為六級，見表3[8]。

由表3可看出：

（1） 自主控制應具有適應性，適應由環境、任務以及對象等帶來的各種不確定因素，使系統在無人參與的情況下實現自主控制。

（2） 自主控制應具有智能性和協同性，系統作為獨立的、自主的智能體，可與其他系統進行自主協調、協同等控制行為。

（3） 高級的自主系統必須具備自修復和自學習能力，及能夠根據對象、環境、任務及控制效果，通過自主的修正、優化和學習的行為，提高控制性能。

因此，高級的自主系統應具有適應性、智能性、協同性、自修復、自學習等特點。能夠在不確定的環境中執行任務，具有更好的安全性和空域飛行能力。它所面臨的挑戰就是在不確定性的條件下，實時或近實時地解決一系列最優化的求解問題，本質上就是需要建立不確定性前提下處理復雜問題的自主決策能力[11]。

目前國內無人機經過多年的發展，無人機種類繁多，但是其操縱依然是人工操縱為主，僅能夠完成基本功能的自主程序控制。自主控制的水平依然較低，要實現完全意義上的無人機全自主控制，目前仍存在較大的差距。

3 發展方向與趨勢

綜合國內外的研究和分析，提出無人機控制體系架構應逐步實現人工操作——自主控制——融合控制，研究自主控制和人工決策相結合的控制技術，提高無人機飛行操縱過程中的自主控制能力，降低人為操縱的干預程度，且人工操縱主要以發送指揮引導指令為主，從而有效提高無人機系統安全性。在技術發展過程中應該按照自主分級逐步實現自主化，在不同等級下，重點研究人工干預與自主之間的邊界界定和決策優先級劃分規則等問題。

根據國內無人機現狀及發展趨勢，針對無人機系統應用環境，提出兩級無人機飛行操控模式。

3.1 基本模式

在該模式下，以人工控制為主程序控制為輔。系統具備自動檢測能力，提供系統狀態信息，主要包括故障報警以及輔助操作信息，同時系統具備一定的判斷決策能力，可以按設定的程序完成控制。

系統分層構架設計：

第一層：系統BIT技術，能夠對系統關鍵部件進行在線檢測，具備較高的檢測覆蓋率以及實時性；

第二層：診斷與報警技術，具備較為簡單的故障定位能力以及較低的虛警率；

第三層：輔助操作技術，在最小工作負荷約束條件下提示和引導人工輔助操縱，最大限度地確保飛行安全；

第四層：人工決策控制，可根據系統顯示狀態信息，進行指令控制飛行。

在該模式下，對飛行操控人員要求較高，操控人員本身素質會直接影響系統安全性，要求操控人員掌握系統各相關專業知識，通過必要的技能培訓，并積累相當的飛行經驗。

（1） 系統正常飛行條件下，無人機可按設定的程序以及任務規劃信息，進行程序控制飛行，操控人員可通過上行鏈路發送指揮控制指令，控制無人機系統狀態；

（2） 系統異常條件下，操控人員通過系統提供的故障報警信息，進行故障判定并做出決策，結合輔助操作信息，控制無人機飛行。

3.2 高級模式

在高級模式下，系統安全基于裝備本身自主控制能力，具備對設備以及環境的感知與決策能力，飛行過程基本不依賴人工干預。在系統本身無法感知外界威脅的條件下，操作人員可利用系統外信息進行決策與輔助控制，且具備控制最高優先權。系統要求具備自主檢測、診斷、修復能力，可以自我保障系統飛行安全性。

系統分層構架設計：

第一層：自主診斷與重構，覆蓋系統內所有環節及單元，無人機具備健康狀態診斷與重構技術，最大限度地重組、容錯和隔離故障源，快速重構控制結構，對自身狀態具備監控修復能力；

第二層：感知與規避，系統可利用自身傳感器獲取的信息以及外界提供的輔助信息，具備對系統外環境的自主感知能力，包括氣象、地理、電磁以及空管等，系統狀態能夠適應環境變化；

第三層：協同控制，系統可利用關聯單元狀態信息，自主與相關單元相互協同，構成應用體系形成聯合作戰能力，并且可智能修正與調節；

第四層：決策與指揮，系統對于飛行安全超限指令、非授權指令、竊取侵入指令等具備自動屏蔽能力，人工介入僅為頂層任務分配與調度。

在該模式下，對操控人員飛行技能要求較低，系統自主能力直接影響系統安全性。

（1） 系統正常飛行條件下，無人機完全按頂層規劃信息并根據系統自身狀態自主控制飛行，操控人員僅通過下行鏈路信息監視系統狀態，原則上不參與系統控制；

（2） 系統異常條件下，無人機可自主診斷決策和控制保障系統飛行安全，操控人員可利用系統外信息，對系統狀態進行評估并做出決策，可為無人機提供指揮信息，引導無人機飛行。

根據上述兩級無人機飛行操控模式，建議將飛行操控能力按等級由低到高分為八級，見表4。

將上述飛行操控等級與美國無人機自主控制等級相對比，對應情況見表5。

4 結 論

無人機系統安全性主要取決于系統控制體系架構設計，無人機對自身和環境變化應具備自適應能力。系統的安全性、魯棒性主要依賴于系統自主控制技術，同時加強操作人員的技能培訓，并且建立無人機系統空中交通管理及電磁頻譜管理體制，以滿足在復雜作戰環境下無人機的飛行安全要求。

無人機系統的自主控制技術是一個富有挑戰性的課題，提高無人機系統的自主性是永恒的追求目標。建議通過發展下列技術提高無人機系統控制技術：

建立中國的自主控制能力衡量等級；建立無人機自主控制的體系結構；故障診斷、容錯與自修復重構技術；在線態勢感知與自主決策、規避技術；動態規劃技術；智能控制技術；協同與交互技術；信息安全技術。

研究人為操控原因引起的飛行安全問題，通過發展無人機系統控制技術、完善無人機系統的管理體制，對正確運行管理無人機系統，提高無人機飛行安全，避免飛行事故的發生，具有很大的現實意義。

參考文獻

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[11] 蔡志浩，楊麗曼，王英勛，等.無人機全空域飛行影響因素分析[J].北京航空航天大學學報，2011，37（2）：175?179.

根據上述兩級無人機飛行操控模式，建議將飛行操控能力按等級由低到高分為八級，見表4。

將上述飛行操控等級與美國無人機自主控制等級相對比，對應情況見表5。

4 結 論

無人機系統安全性主要取決于系統控制體系架構設計，無人機對自身和環境變化應具備自適應能力。系統的安全性、魯棒性主要依賴于系統自主控制技術，同時加強操作人員的技能培訓，并且建立無人機系統空中交通管理及電磁頻譜管理體制，以滿足在復雜作戰環境下無人機的飛行安全要求。

無人機系統的自主控制技術是一個富有挑戰性的課題，提高無人機系統的自主性是永恒的追求目標。建議通過發展下列技術提高無人機系統控制技術：

建立中國的自主控制能力衡量等級；建立無人機自主控制的體系結構；故障診斷、容錯與自修復重構技術；在線態勢感知與自主決策、規避技術；動態規劃技術；智能控制技術；協同與交互技術；信息安全技術。

研究人為操控原因引起的飛行安全問題，通過發展無人機系統控制技術、完善無人機系統的管理體制，對正確運行管理無人機系統，提高無人機飛行安全，避免飛行事故的發生，具有很大的現實意義。

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根據上述兩級無人機飛行操控模式，建議將飛行操控能力按等級由低到高分為八級，見表4。

將上述飛行操控等級與美國無人機自主控制等級相對比，對應情況見表5。

4 結 論

無人機系統安全性主要取決于系統控制體系架構設計，無人機對自身和環境變化應具備自適應能力。系統的安全性、魯棒性主要依賴于系統自主控制技術，同時加強操作人員的技能培訓，并且建立無人機系統空中交通管理及電磁頻譜管理體制，以滿足在復雜作戰環境下無人機的飛行安全要求。

無人機系統的自主控制技術是一個富有挑戰性的課題，提高無人機系統的自主性是永恒的追求目標。建議通過發展下列技術提高無人機系統控制技術：

建立中國的自主控制能力衡量等級；建立無人機自主控制的體系結構；故障診斷、容錯與自修復重構技術；在線態勢感知與自主決策、規避技術；動態規劃技術；智能控制技術；協同與交互技術；信息安全技術。

研究人為操控原因引起的飛行安全問題，通過發展無人機系統控制技術、完善無人機系統的管理體制，對正確運行管理無人機系統，提高無人機飛行安全，避免飛行事故的發生，具有很大的現實意義。

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