人工智能技術在直升機領域的應用及發展展望

吳明忠 劉永志

摘要：人工智能技術正在受到世界各國的高度重視，并逐漸在軍事領域得到推廣應用。人工智能技術與裝備的有機結合，將極大地提升裝備作戰效能，甚至顛覆作戰樣式。本文基于直升機技術特點分析了直升機對人工智能的典型技術需求，介紹了當前直升機在智能化技術發展方面的最新研究成果，最后對未來直升機的智能化技術的發展趨勢進行了展望。

關鍵詞：直升機；軍事領域；作戰效能；人工智能技術；發展趨勢

中圖分類號：V11文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.01.005

邁入21世紀，人工智能技術進入了高速發展階段，已成為公認的最有可能改變世界的顛覆性技術。許多國家已將發展人工智能上升為國家戰略，并作為提升國家核心競爭力的重要抓手，持續加快人工智能技術創新。在日常的生產生活領域，人工智能正成為經濟發展的新引擎，智能監控、生物特征識別、工業機器人、服務機器人、無人駕駛等逐步進入實際應用，帶來了社會建設的新機遇。在軍事領域，人工智能逐漸成為武器裝備從數據優勢、信息優勢、知識優勢向決策優勢轉變的重要工具，智能化感知與信息處理、智能化指揮控制輔助決策、無人化軍用平臺、仿生機器人、人體增強等技術在軍事領域扮演著越來越重要的角色，推動著作戰形態從信息化戰爭向智能化戰爭加速演進。

直升機作為低空/超低空作戰體系中的重要航空裝備，其結構和運行原理特殊，操縱和使用環境復雜，對人工智能技術應用的需求尤為迫切。借助人工智能技術的發展，直升機有望“乘風”實現變革，智能化的設計理念和應用模式將改變直升機的平臺性能及使用方式，人工智能技術將在直升機領域扮演生命保障、活動助手、平臺管家、智能空戰專家等角色，提升平臺的作戰能力，精準控制直升機完成特定作戰任務，改善飛行員單調緊張的駕乘環境。

本文基于直升機技術特點，從氣動環境、操縱控制、飛行感知和訓練保障等多個維度，分析直升機對人工智能技術的典型需求，介紹了智能技術在直升機領域的應用現狀和技術水平，并對未來人工智能技術在直升機領域的發展方向進行預測和展望。

1直升機的人工智能需求

在直升機的飛行機理上，前飛時，直升機旋翼系統始終處在非對稱、非定常氣流環境中，加上非線性安裝系統（旋翼-主減速器-操縱）以及高模態機身結構等影響因素，帶來了全機較大的振動與噪聲，極大地影響飛行安全性及舒適性。人工智能技術主要基于大數據及深度學習算法，對于直升機振動/噪聲主動控制、智能旋翼技術的加速發展，將起到極大的推動和促進作用。

在操縱上，直升機操縱復雜，需要對總距桿、周期變距桿、腳蹬進行協同操縱，并要求“手不離桿”：通過總距桿實現直升機的升降，通過周期變距桿實現前、后、左、右飛行，通過腳蹬實現航向變化，各操縱之間交叉耦合強烈，尤其在諸如山脈、峽谷、海面以及惡劣氣象等環境下，飛行員一直處于操縱修正補償狀態，操縱性和穩定性難以得到兼顧，亟須將人工智能技術引入直升機飛行控制系統或結構中，發展智能飛行控制技術，協助飛行員處理復雜的飛行任務，提高飛行安全性。

在使用過程中，直升機主要用于低空領域，所面臨的戰場環境復雜，機上配備的傳感設備數量和種類繁多，沒有智能技術的參與，飛行員工作負荷將呈指數增長。因此，需要發展智能協同、智能感知、智能認知、智能決策、智能執行等技術，將計算力轉化為戰場上的感知、決策和執行優勢，提升直升機作戰過程中信息處理的OODA循環速率，從智能作戰單元本體方面滿足未來復雜戰場環境下快速響應的需求。

直升機使用過程中的訓練、維護和保障工作量突出，目前在該方面的信息化程度還較低，不能滿足飛行員、勤務人員的實際需求。需開發智能訓練、智能維護、智能保障等先進系統，在訓練策略、維修策略、故障診斷策略與程序、保障策略等方面全面引入人工智能技術，強化訓練質量、提高外場維修效率、減少維護保障的時間[1]。

2直升機人工智能應用現狀

近些年，人工智能技術在直升機領域進入逐步推廣應用的階段，人工智能技術與直升機技術的初步結合，主要體現在直升機的減振降噪、輔助飛行、輔助決策、著陸起降、有人/無人協同，以及智能駕駛等技術方面。

2.1減振降噪技術

處理好直升機的振動和噪聲問題是直升機設計工程師永恒的主題，也是核心關鍵難點。第一代直升機的振動水平高達0.25g，噪聲達到了110dB[2]。世界各國針對直升機的減振降噪開展了一系列的技術研究，隨著計算機處理速度的飛躍和核心算法的解決，智能控制方式被廣泛研究。以直升機智能旋翼為例，其核心是根據不同的飛行工況，以及飛行環境自動調節槳葉翼型和參數，通過智能驅動機構、智能材料以及其他方式控制槳葉的高階諧波氣動力分布，來達到旋翼減振降噪的目的。控制方式包括高階諧波控制（HHC）、單片槳葉控制（IBC）、主動后緣襟翼（ACF）和主動扭轉（ATR）等[3]。2010年，美國國防預先研究計劃局（DARPA）啟動名為任務自適應旋翼（MAR）的新構型旋翼概念開發項目（見圖1），通過改變旋翼長度、后掠角、弦長、翼型弧度、槳尖形狀、扭轉角、剛度、轉速以及其他參數，以顯著提高有效載荷和航程，并降低噪聲和振動。

直升機平臺的主動振動控制，其核心是“以振動抵消振動”，作動器根據機體振動信號通過自適應控制算法輸出振動響應，抵消旋翼激振力產生的振動響應，降低直升機振動水平[4]。目前已有CH-47、EH-101、UH-60、S-92等機型成功進行了振動控制飛行試驗，并取得了非常顯著的減振效果。可以預見，隨著人工智能技術在振動與噪聲控制領域的成熟應用，安靜、舒適的乘坐和駕駛環境將成為現實。

2.2輔助飛行技術

直升機在低空、超低空飛行或執行任務，由于近地環境復雜，直升機的飛行安全受到極大考驗。合成視景、視景增強等新興技術能夠在各飛行階段為飛行員提供合適的信息，便于飛行員操縱飛行，提高直升機的近地飛行安全。而基于智能感知、智能認知的飛行輔助技術，在應對突發情形，駕駛員來不及或無法判斷操作時，由智能系統完成的環境感知、路徑規劃和自主決策，可以輔助飛行員完成自主避障[5]（見圖2），如羅克韋爾-柯林斯公司的避障路線重規劃軟件ARR-2500能夠通過認知決策輔助技術提升駕駛艙內的態勢感知和安全性；萊奧納多公司的激光避障系統在懸停和低速飛行時，通過圖像和音頻向飛行員提供直升機與周圍障礙物距離信息等。極光公司的自主空中貨運通用系統（AACUS）項目成果可用于各種垂直起降飛行器，使其能夠在無準備地點起降，自主躲避障礙物，且前線操作員不用經過訓練即可控制其完成起降。

2.3輔助決策技術

軍用直升機在作戰時，要面臨高度對抗、任務多變的戰場環境，戰場態勢信息交互呈現爆炸式增長，飛行員以及戰斗員都需要快速進行態勢評估和決策。具備智能輔助決策能力的核心處理（作戰）系統，可在極其復雜的超低空高速飛行情況下，完成各種飛行動作、信息處置和作戰任務，為飛行員提供決策支撐。

美軍通過不斷的技術驗證，在“黑鷹”和“阿帕奇”直升機中植入了“戰斗助手”核心模塊的“認知決策輔助系統”和“機動指揮官助手”核心模塊的“智能體數據挖掘組件”，在不同程度上解決了超低空高速飛行的同時，執行各種戰術任務狀態下的工作負荷問題，提高了飛行員對于戰場情報的感知、吸收效率以及即時反應能力（見圖3）。

2.4著陸起降技術

直升機最大的優勢是起降不需要專用跑道，外場使用不受場地限制。但是，直升機在外場場地環境復雜情況下，特別是在復雜海況下進行艦船甲板起降，直升機存在氣動干擾嚴重、動態適配難等問題，帶來了較大的安全隱患。將常規起落架技術與自適應技術相結合的自適應起落架（采用機器人仿生技術，實現起落架姿態的實時調整），可以有效地解決復雜場地著陸問題，應用人工智能技術實現控制策略傳遞的有效性和快速性，將極大提高控制系統對操縱機構的靈活性和響應速度，拓展直升機在兩棲作戰中島礁登陸、晃動甲板上的起降思路。

2015年，DARPA展示的新型機器人起落架系統即屬于此類范疇（見圖4）。自適應系統將標準起落架替換為4個鉸接式連接腿，連接腿能夠在飛行中折疊在直升機機身旁邊并且在其腳部配備力敏感接觸傳感器。在著陸期間，每個支腿延伸并使用其傳感器實時確定適當的角度，以確保直升機保持水平并最小化轉子接觸著陸區域的任何風險。

2.5有人/無人協同技術

直升機的有人/無人協同大幅提高了直升機的作戰效能，擴大了直升機的使用范圍，實現無人機自主飛行、有人/無人協同是當前直升機智能化發展的重要方向[6]，飛控操縱、協同感知、協同飛行是主要的研究內容。美軍AH-64E“阿帕奇衛士”直升機具備了控制“陰影”和“灰鷹”無人機飛行路徑和載荷的能力，利用無人機可以探測到更遠距離或障礙物后方的敵人，大幅提升了AH-64E的態勢感知能力（見圖5），但尚缺乏自主決策能力。2016年起美國陸軍規劃開展了協同有人無人智能團隊項目，以提升自主決策和協同任務能力。可以預計，隨著智能化技術的應用，上述問題也將會得到解決。

2.6智能駕駛技術

由于直升機操作復雜，且具有特有的低空/超低空飛行方式，開展具備智能化工作環境的直升機駕駛艙設計，可以將飛行員從繁重的四肢工作中解脫出來，減輕飛行員工作負荷[7]。世界上先進的四代機固定翼飛機座艙已集成了大屏顯示器、多點觸控、頭盔顯示器、三維音頻告警、指令式語音控制等技術，為飛行員提供大視場顯示、自主界面重構、三維戰場態勢感知和快速指令執行等功能（見圖6）。

在美國陸軍有人/無人空中運輸（MURAL）項目中，“黑鷹”直升機被改進為可選有人操作，升級了最新版本的自主任務管理系統，可以進行自主和遠距監控飛行。2015年開始，DARPA利用人工智能測試直升機駕駛艙自動化系統（ALIAS）。該項目將發展一種可定制、嵌入式的自動飛行系統，并能通過人機接口與飛行員流暢互動。飛行員將僅關注任務規劃、軍事戰術等復雜問題，ALIAS將完成起飛、巡航、避障、降落等操作，也能糾正飛行員的失誤、協商規劃飛行方案等。

3發展展望

每一次重大技術的進步都會引起戰爭形態和作戰樣式的深刻變革，結合目前的直升機技術發展方向和未來人工智能發展態勢，分析認為，直升機未來的人工智能技術應用將重點朝著三個方向發展：一是基本飛行智能化；二是任務執行智能化；三是綜合保障智能化，其對應的三個應用方向的典型應用場景如下所述。

3.1基本飛行智能化

（1）智能蒙皮

智能蒙皮又被稱為“機靈蒙皮”，是一種針對外界環境變化迅速做出反應的智能材料結構，具備對信息傳遞、處理和驅動三種功能[8]，采用智能蒙皮結構的直升機將在性能上得到兩方面提升，一是可通過微傳感器、微處理器、光纖和壓電材料與復合材料結合，感知直升機的結構受力、振動分布、疲勞擴展情況，及時做出響應，提高平臺性能和安全品質；二是通過光學迷彩形成與背景顏色相匹配的迷彩圖案，使直升機成為“變色龍”，提高直升機在低空飛行時的視覺隱身能力[9]。

（2）智能變形結構

隨著材料、傳感器、計算機、微機電系統、氣動、控制等技術的不斷進步和完善，基于智能材料與結構來主動改變機翼彎矩和扭矩的新型智能變體機翼技術，可減輕結構重量（質量）和提高氣動性能。直升機方面，變體旋翼在直升機性能提升、減振降噪等方面都具有很大的發展潛力，是下一代旋翼技術的發展方向。鑒于變體旋翼氣動/結構/驅動/控制耦合動力學問題的復雜性，通過氣彈機理來設計控制律顯得越來越困難，但未來的人工智能技術能為變體旋翼智能控制提供一條可行的技術途徑。

（3）無憂操縱

無憂操縱主要通過對直升機飛行條件、飛行員的操縱及直升機速度的姿態、載荷變化等進行分析和綜合判斷，對飛行員操縱進行干預，無憂操縱保證了直升機下一刻的各部件載荷、飛行速度、姿態、發動機及傳動等不超過設計限制或對壽命不構成嚴重損傷。融合了人工智能技術的無憂操縱系統可以通過設計，避免飛行員由于疏忽飛出使用包線，系統保證直升機一直處于使用包線內。由于減輕了飛行員監控座艙儀表和告警的要求，可顯著降低工作負荷，減少執行任務的時間，提高任務效能。

3.2任務執行智能化

（1）多模式人機交互

通過多模態感知信息（視覺、聽覺、觸覺、腦電等）處理、語言理解、知識推理等方法，使飛機能夠理解操縱人員的控制手勢、自然語言、腦電頻率信號等非結構化數據，提升機器的數據分析與理解能力，實現輔助決策、智能控制等功能，大幅提高飛機任務響應速度及任務執行效率，并減少對飛行操控者的技術要求。

（2）航路與任務重構

直升機在不需要改變任務模態的前提下，基于探測感知的戰場態勢威脅、氣象、地形威脅等飛機飛行歷史的軌跡數據，采用機器學習技術，對運動模型進行訓練并得到精確的飛機模型。通過各種路徑優化算法，重新調整航路規劃參數，自主生成新的飛行路徑，或切換至其他導航模式，從而達到逃逸軌跡精確預測、規避威脅、提高告警成功率、提高低空突防和編隊飛行安全性的目的。

（3）智能協同

有人直升機與無人機協同作戰已成為國內外研究關注的熱點，其中有人直升機上的無人機操作員需要規劃和管理作戰任務，甚至直接操控無人機飛行，此外動態變化的戰斗任務管理對操作員的智力水平、判斷決策及人機協作能力都提出了更高要求，將極大影響作戰決策并導致誤操作。研發無人機編隊管理、有人/無人協作小組管理、無人機航路管理等內容的智能操作輔助系統嵌入到有人直升機的無人機操作員控制站中，是解決這一問題的有效途徑。

3.3綜合保障智能化

（1）智能訓練

為滿足貼近實戰的訓練要求，在提高陸軍航空兵的訓練效率的同時，應降低訓練成本費用。基于人工智能技術，構建基于飛行培訓、戰術演練和作戰效能的智能化模擬訓練及實戰場景，可打造智能訓練系統。充分利用混合現實技術，在實際飛行中疊加模擬外部戰場環境及各種作戰威脅，如地面威脅、導彈攻擊、雷達照射等，使訓練人員完全沉浸在“現實環境+虛擬戰場”中，猶如打了一場“真實的仗”。

（2）智能保障

智能戰場后勤保障將實現從傳統的事后維修、定期維修向主動維修、基于剩余壽命的預測性維修的轉變，實現從粗放、規模型維修保障到集約、精確、敏捷型維修保障的轉型[10]。智能后勤系統是未來多機種保障的需要，建立高效獲取、存儲和處理大量來自多機型、多種類型數據的先進方法，可以通過為多種機上、機下生成的多種類型數據提供通用的數據存儲、檢索和處理方法來實現。結合故障預測健康管理技術與分布式決策技術，通過實時獲取維修保障需求、動態配置保障資源。

4結束語

人工智能技術在直升機中尚未全面應用，在廣度和深度方面還有很大拓展空間，智能化是提升直升機平臺性能的關鍵環節，是提升直升機設計水平的重要手段，是直升機融入未來作戰體系的必然趨勢。需要直升機行業緊抓時代機遇，做好戰略謀劃，制定各項有力措施，加大直升機智能化研發力度，推動智能技術在直升機上的發展應用。

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（責任編輯陳東曉）

作者簡介

吳明忠（1975-）男，碩士，研究員。主要研究方向：直升機旋翼動力學。

Tel：022-59800334E-mail：wu_mingzhong2021@163.com劉永志（1986-）男，碩士，高級工程師。主要研究方向：直升機全機動力學。

Tel：022-59800676

E-mail：leoyongzhi@qq.com

Application and Development Prospect of AI Technology in Helicopter Field

Wu Mingzhong，Liu Yongzhi*

China Helicopter Research and Development Institute，Jingdezhen 333001，China

Abstract： AI technology has been highly valued by various countries，and has been widely used in the military domain. The organic combination of AI technology and equipment will greatly improve the operational efficiency and even subvert the combat mode of modern warfare. In this paper， the typical requirement of helicopter AI is analyzed based on the characteristics of helicopter technology， then the research results of foreign helicopter in the development of AI technology are delivered. Finally the development trend of helicopter AI technology is proposed.

Key Words： helicopter； military domain； operational efficiency； AI technology； development trend