無人機系統自主控制技術及應用實踐分析

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自主控制技術為核心，分析無人機系統自主控制技術發展現狀，明確無人機系統自主控制技術關鍵技術，提出無人機系統自主控制技術應用實踐，促進無人機系統的應用發展，并為相關研究人員提供一定的借鑒和幫助。

關鍵詞：無人機系統 自主控制技術 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

自主控制技術作為無人機系統核心技術，可以實現無人操作而執行設定任務，現階段我國無人機系統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，這種控制技術無法應對變化的運行環境，對突發威脅處理不到位，無論是生存還是打擊時敏目標，都處于低效狀態。隨著無人機系統逐漸自主化和智能化，提出無人機自主控制技術，讓無人機系統根據運行環境，及時應對突發狀況，并對時敏目標準確定位，提高無人機系統的自主水平，感知運行環境，強化目標定位的精確度，增強任務執行的靈活性，自主控制技術是未來無人機系統發展的主要方向。在這樣的環境背景下，探究無人機系統自主控制技術及應用實踐具有非常重要的現實意義。

1 無人機系統自主控制技術的應用要求

在無人機系統自主技術實際應用中，具備環境感知能力和態勢認知能力，使得無人機系統可以在惡劣環境下，實現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，無人機系統運用自主導航技術與智能控制技術，除了在規定范圍內進行導航定位，還可以控制無人機復雜動作，實現大范圍內定位和精確打擊，面對復雜環境自我決策和規劃，突出無人機系統自主控制技術的自主性與抗干擾性[1]。

2 無人機系統自主控制技術發展現狀

2.1 理論研究現狀

自主控制主要處于非結構化環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無人機系統在無人干預情況下的環境感知能力。而另外一種說法是自主控制涵蓋了在線感知、控制重構、信息處理等功能，操作員不會直接控制，而是強調無人機系統的自我決策和自我控制，這是自動控制的高層次發展。一般而言，常規控制與自主控制的主要差距在于是數據驅動還是信息知識驅動，數據驅動則無智能，而基于信息知識驅動則具備高程度智能，可以應對惡劣的運行環境和控制任務[2]。在大量的研究實踐中，明確無人機系統自主控制的概念，特指在無人干預的情況下，借助在線環境感知與信息處理功能，自主生成控制策略，以完成戰術任務，具備快速和高效的任務適應能力。

2.2 技術研究現狀

現階段，我國無人機系統自主控制技術研究工作已頗有成效，提出無人機系統的自主、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中的智能態勢感知，但和國外先進技術相比，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，聯合無人空戰系統和升級版X47-B已達到5～6級，復雜而非結構化的運行環境、突發事件、遠距離運行可能發生通信線路故障、外部威脅等挑戰，為了幫助無人機系統自主控制技術應對這些挑戰，要將智能控制常規控制結合在一起，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，實現無人機系統自主控制技術的完善和優化[3]。但總體來說，國內外無人機系統的自主控制水平不高，突發事件的感知、判斷和處理能力薄弱，從指揮控制過渡到監督控制，最后完全實現自主控制。

3 無人機系統自主控制技術的應用實踐

無人機自主控制系統統一管理各個系統，協調配合完成任務，其自主控制結構包括分層遞階式結構、包容式體系結構、分布式體系結構，在實際應用中可表現出以下幾點：

3.1 感知與認知

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

3.2 規劃與控制

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

3.3 協同與交互

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

4 結語

綜上所述，無人機系統自主控制技術的應用要求要具備環境感知能力、態勢識別能力、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，實現無人機系統的感知與認知、規劃與控制、協同與交互，完成執行任務，進而實現無人機系統自主控制技術的應用價值。

參考文獻

[1] 朱華勇，牛軼峰，沈林成，等.無人機系統自主控制技術研究現狀與發展趨勢[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展分析[J].火力與指揮控制，2016，41（5）：1-5.

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

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

[5] 尹彥清.基于神經網絡的無人機動態逆自主飛行控制系統研究[D].南京航空航天大學，2017.