淺析無人機系統自主控制的關鍵技術

■ 李 棟 李 明 高啟坤

淺析無人機系統自主控制的關鍵技術

■ 李 棟 李 明 高啟坤

將無人機系統自主控制的關鍵技術劃分為體系結構、感知與認知、規劃與控制、協同與交互部分。本文重點介紹了這些技術，并指出了今后可能發展的方向。

1.引言

近年來，隨著各種新技術的不斷應用，無人機系統的復雜性及功能的自動化程度等日益增加。由于作戰環境的高度動態化、不確定性以及飛行任務的復雜性，使得規劃與決策成為無人機面臨的新的技術挑戰，各種基于程序化的自動控制策略已經不能滿足未來先進多功能無人機對復雜作戰環境下的多任務的需求，自主飛行控制能力的提高成為未來無人機飛行控制系統發展的主要目標。

對于無人機系統自主控制關鍵技術的劃分，目前還沒有形成統一的標準。AGARD報告（Mission planning systems for tactical aircraft，AGARD-AR-313，1992）認為通信、協調、目標識別與分配、沖突消解是自主控制研究的難題；SAB報告（UAV technologies and combat operations，SABTR-96-01，1996）認為人機接口和直接控制的缺失是戰術無人機首要解決的問題；美國學者Churchman和Chandle等認為相對于人機接口、通信和目標識別，決策是實現自主最為困難的問題，不確定環境中快速在線的重規劃是自主控制的關鍵問題；美國學者Clough認為自主控制的關鍵問題在于態勢感知、決策分析和通信協同；美國國家研究委員會認為規劃與決策、傳感與感知、監控與診斷、網絡與協同等是無人系統的關鍵技術；Valavanis等人認為時空建模技術、智能分層控制、嵌入式計算、網絡化通信、傳感器和感知技術等是實現無人機系統自主控制的關鍵問題。結合國內外學者對無人機自主控制的研究現狀，本文給出一種自主控制關鍵技術的劃分方式，將關鍵技術劃分為：體系結構、感知與認知、規劃與控制、協同與交互。這種劃分方式思路清晰，便于學術上的討論與研究。

2.無人機自主控制的關鍵技術

2.1 體系結構

無人機系統自主控制系統主要任務是把各個子系統連接成一個整體；統一管理調度各個子系統，使各子系統步調一致地完成總體任務，其設計的優劣直接關系到無人機系統整體性能的發揮和智能水平的高低。自主控制體系結構可分為三類：

2.1.1 分層遞階式結構

分層遞階式結構由Saridis提出，包括組織級、協調級和執行級。分層遞階式結構遵循“感知-思維-行動”的基本規律，層次向上，智能增加，精度降低；層次向下，智能降低，精度增加，較好地解決了智能和控制精度的問題，其缺點是缺乏高度智能性的實時反應能力。

2.1.2 包容式體系結構

包容式體系結構由Brooks提出，模擬了動物反應式行為的特點，采用“感知-動作”結構。該結構強調了單元的獨立、并行工作，缺少全局的指導和協調，對于長遠的全局性的目標跟蹤缺少主動性，目的性較差。

2.1.3 分布式體系結構

分布式體系結構主要采用多智能體系統(Multi-Agent System，MAS)的形式。這種結構具有自適應、自組織和良好的協調性能，通過協調方式完成繁雜的整體操作，可產生一般分層遞階式或包容式結構難以達到的靈活性和智能性，但是MAS結構需要智能體之間緊密聯系，由于沒有中央處理機制，難以有效處理系統沖突。

2.2 感知與認知

無人機系統任務由在安全區域執行偵察監視任務向在高危區域執行主流作戰任務的方向發展，必須解決復雜環境感知與認知技術，實現戰場態勢理解與生成，研究內容包括：

2.2.1 非結構化環境感知

非結構化環境感知將實現自然環境目標與敵我目標的感知與識別，提高無人機系統戰場態勢的理解。惡劣氣象條件決定了環境感知與識別任務的艱巨性，而復雜高對抗的環境狀況進一步加大了無人機系統實現高可靠、強實時環境感知的難度。需重點解決以下問題：面向復雜環境的拼陣攝像、大范圍圖像拼接處理、面向無人機系統的高速視覺計算、開放環境下的目標檢測與識別、多傳感器信息融合的威脅估計與態勢評估等。

2.2.2 復雜環境認知與學習

環境認知技術使無人機系統具備信息收集和環境認知能力，能夠感知、識別、理解其所處的戰場環境，是無人機系統實現高層次自主的基礎。借鑒人類認知過程突破認知信息處理技術，對無人機系統發展極為重要。需重點解決以下問題：人類生物視覺的環境認知機理、仿生物視覺的目標識別、復雜環境認知算法、基于認知的學習和推理方法、高效的環境建模手段等。

2.3 規劃與控制

規劃與控制技術主要解決無人機面對復雜環境的不確定性，如何實現自主行為，提高無人機系統的作戰效能。研究內容包括：

2.3.1 實時規劃，重規劃與監督控制

實時規劃,重規劃與監督控制主要解決無人機系統執行任務過程中任務計劃的實施，并且根據突發狀況進行動態任務重規劃等問題，提高無人機系統作戰響應的實時性。需重點解決以下問題：對抗環境下自動任務規劃技術(包括航線、傳感器、武器載荷以及通信規劃)、快速動態任務重規劃技術、智能任務管理和監督控制技術、任務狀態監視與告警管理等。

動態重規劃：動態重規劃是一個獨立自主的動態決策過程。當UAV收到新的傳感器信息、命令、情報或不可預料事件發生時，就要進行實時動態重規劃，以最優的方式完成對預先任務規劃的更新，生成新的任務計劃。由于環境和系統的不確定性，動態重規劃應具有相當程度的智能。動態重規劃主要包括控制策略選擇和實時航跡規劃兩部分，若根據控制策略能夠直接得到所要采取的行為，實時航跡規劃這一步可以省略。

其中，控制策略選擇是在設定的規則庫中，進行最優決策，有效地協調或融合不同策略之間的沖突或競爭，得到最恰當的控制策略?？刂撇呗赃x擇主要有兩種機制：競爭協調和合作協調。競爭協調機制根據有限狀態機當前狀態來進行行為選擇，這種方法簡單并且在大多數情況下十分有效，但仍存在一些問題。合作協調機制具有一定的適應性，實現方法之一是把不同的行為所提供的備選方案賦予固定的不同權值，最終生成一個控制命令；另一種方法就是分級轉換并采用模糊規則來執行融合操作。

實時航跡規劃對算法時間有嚴格的限制，規劃中不僅要考慮各項約束和地形環境的限制，還要考慮和預先任務規劃之間的關系。涉及到的約束條件有：地理或物理障礙物；靜態或動態威脅；油耗指標；時間要求；UAV性能指標；目標特性等?？紤]到實時性和不確定性，在上述諸多約束條件下進行航跡規劃是一個難度很大的多維多模優化問題。實時航跡規劃方法包括最優式規劃方法和啟發式規劃方法。最優式規劃方法包括人工勢場法、動態規劃、A*算法、基于計算幾何和圖論的方法等。啟發式規劃方法主要有遺傳算法、神經網絡、模糊邏輯和概率路標圖法等。最優式規劃方法可獲得最優解，但算法時間隨問題難度爆炸式增長；啟發式規劃方法計算速度較快，但不一定能保證解的最優性。

2.3.2 多機協調規劃與控制

多無人機協調規劃與控制必須對多無人機在實際環境中運行時所面臨的感知、執行、通信以及環境動態變化等非理想情況，甚至可能遇到的失效等極端情況進行充分考慮與處理。需重點解決以下問題：多無人機任務分配與協調、多任務沖突檢測與消解、多無人機協同航路規劃、編隊運動協調規劃與控制、集群自組織等。

2.3.3 機載智能自主控制

實現機載智能自主控制將為無人機系統的實戰使用奠定基礎。智能自主控制是指無人機不依賴外界指令和設備支持，在不確定的環境中僅依靠自身的控制設備完成所規定的任務的關鍵能力。需重點解決以下問題：自主飛行控制、感知與回避、自主行為決策、故障預測與自修復控制、任務自適應控制等。

2.4 協同與交互

協同與交互技術主要解決多無人機，以及人機之間的協作行為，實現有人，無人平臺協同作戰、多無人平臺協同作戰，研究內容包括：

2.4.1 協同作戰系統技術

協同作戰系統主要實現無人機與有人機、任務控制站、指控系統的互聯互通互操作，支持有人/無人系統協同執行各種任務。需重點解決以下問題：開放式實時協同體系結構、跨平臺信息分發、多平臺多源數據時空一致性、資源管理調度、多種協同支持機制等。

2.4.2 人機系統綜合技術

人機系統綜合技術促使人和計算機二者的智能進行有效融合，實現高效的人機協同，提高無人作戰系統的可用性和整體作戰效能。在高度自主的無人機系統中，人仍然需要提供高層目標。需重點解決以下問題：無人機平臺間交互、無人機系統間交互、人機功能動態分配、戰術態勢/平臺狀態/任務協同綜合顯示、腦機接口等。

3.結語

實現無人機自主控制必須不斷發展態勢感知技術，通過各種信息獲取設備自主地對任務環境進行建模，包括對三維環境特征的提取、目標的辨識與識別、態勢的評估等。所以，無人機系統自主控制的感知與認知技術將是重要的研究方向。

（作者單位：陸航駐蘭州地區軍事代表室）