無人機系統(tǒng)如何實現(xiàn)自主性
in 行業(yè)動態(tài) by meng
一、自主性定義1. 自動化 自動化(Automation)目前應(yīng)用于各種系統(tǒng)，一般包括應(yīng)用軟件來實現(xiàn)遂行的邏輯步驟或操作。傳統(tǒng)的自動化是指“系統(tǒng)運行無需或很少需要人工操作，但系統(tǒng)功能僅局限于設(shè)定的具體行動”。應(yīng)用于飛行器系統(tǒng)的自動化還包括飛行控制系統(tǒng)所用的電傳操作技術(shù)、將多個傳感器信息進行整合的數(shù)據(jù)融合技術(shù)、制導(dǎo)與導(dǎo)航自動化技術(shù)（如飛行管理系統(tǒng)）、地面防撞自動回收技術(shù)等?？梢哉f，這些系統(tǒng)只是在一種或多種功能上實現(xiàn)了不同程度的自動化（從低級到復(fù)雜），屬于半自主性(Semi-autonomous)。2. 自主性 “自主性”(Autonomy)總的來說是指“在更為廣泛的作戰(zhàn)條件、環(huán)境因素和更為多樣的任務(wù)或行動中，使用更多的傳感器和更為復(fù)雜的軟件，提供更高層次自動化的行為”。自主性的特征通常體現(xiàn)在系統(tǒng)獨立完成任務(wù)目標的程度。也就是說，自主系統(tǒng)要在極其不確定的條件下，能夠完全排除外界干擾，即使在沒有通信或通信不暢的情況下，仍能彌補系統(tǒng)故障所帶來的問題，并確保系統(tǒng)長時間良好運行。 要實現(xiàn)自主性，系統(tǒng)必須“有一系列基于智能的能力，能夠?qū)υO(shè)計中未規(guī)劃未預(yù)測到的態(tài)勢做出響應(yīng)（即基于決策的響應(yīng)）。自主系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠在一定程度上實現(xiàn)自我管理和自我指導(dǎo)（由人的決策代理進行）”。軟件設(shè)計方面，不僅要基于計算邏輯（更加通俗的說法是“基于規(guī)則”），還要采用計算智能（如模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)），通過智能體的通信和協(xié)同來實現(xiàn)目標。此外，學(xué)習(xí)算法可以實現(xiàn)學(xué)習(xí)，并適應(yīng)動態(tài)環(huán)境的能力。自主性可視為自動化的重要延伸，可以在各種未完全預(yù)測到的環(huán)境下成功地執(zhí)行面向任務(wù)的高級指令，正符合目前對人在具備適當(dāng)?shù)莫毩⑿院腿蝿?wù)執(zhí)行限制時的期望。因此，自主性也可理解為設(shè)計良好、具備較高能力的自動化。3. 遙控平臺 空中、地面、水面和水下無人平臺將成為未來軍事行動中不可或缺的重要組成部分。然而，當(dāng)前大多數(shù)無人系統(tǒng)都由人遙控，在一些任務(wù)中的自動化程度較低（例如操作員指定平臺的航點）。未來，這些遙控平臺將具備更為強大的自主性；然而，“遙控”和“自主”這兩個概念事實上是正交的，即只能存其一，也可二者兼而有之。遙控平臺可由人直接遙操縱，也可實現(xiàn)半自主（應(yīng)用一些自動化功能）或全自主運行。此外，有人裝備也可借助軟件，以人工、半自主或全自主等多種方式遂行多樣化任務(wù)。 自主性可以理解為控制譜系的一個潛在端。然而，在未來30年里，大部分應(yīng)用將運用一定級別的半自主能力。換言之，我們將見證系統(tǒng)控制的逐步發(fā)展，而介于中間的自主等級將在不同任務(wù)中得到應(yīng)用。未來隨著自主能力越來越強，可以應(yīng)對更多任務(wù)并應(yīng)用環(huán)境中更多樣的變化，系統(tǒng)將逐步向自主性更強的作戰(zhàn)行動發(fā)展。然而，在大部分作戰(zhàn)行動中，自主能力仍要求與空軍人員進行交互，以接收指令，了解作戰(zhàn)需求，并實現(xiàn)行動協(xié)同。二、發(fā)展領(lǐng)域1. 感知 無論是在平臺上還是在戰(zhàn)場上，感知(Perception)能力都是實現(xiàn)自主的關(guān)鍵要索。只有通過感知，無人平臺才可以到達目標區(qū)域(如導(dǎo)航、避開障礙物等)實現(xiàn)任務(wù)目標。例如，平臺收集傳感器數(shù)據(jù)、應(yīng)用動能武器和對抗簡易爆炸裝置(IED)等都離不開感知能力。 感知過程需要傳感器(硬件)與感知能力(軟件的支持。傳感器模態(tài)是傳感器原始輸入，包括聲音、壓力、溫度和光照等。在某些情況下，它與人的五種感官相似。模態(tài)可以繼續(xù)進行細分。例如，視覺通道可以細分為可見光、紅外線、X光以及其他模態(tài)。當(dāng)傳感器模態(tài)利用電磁波頻譜來生成圖像時，導(dǎo)航與任務(wù)傳感器處理也可以稱為計算機視覺。圖像是以類似于圖片的格式所呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)，與所捕捉到的現(xiàn)場有直接物理對應(yīng)關(guān)系。在下文論述中，我們根據(jù)感知的不同目的，將無人系統(tǒng)的感知功能分為四大類，即導(dǎo)航感知、任務(wù)感知、系統(tǒng)健康感知與操作感知。由于在某些情況下，平臺可能為了實現(xiàn)室內(nèi)導(dǎo)航而需要對某扇門進行操作，也有可能為了完成某項任務(wù)而需要對簡易爆炸裝置進行操作，因此，這四個類別經(jīng)常存在交叉現(xiàn)象。此外，到達目標區(qū)域和在拒止區(qū)域內(nèi)移動，需要導(dǎo)航功能的支持，而在導(dǎo)航功能的支持下到達目標區(qū)域之后，則需要通過任務(wù)感知來完成任務(wù)目標。 在啟動制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制(GN&C)功能時，需要通過導(dǎo)航感知來支持路徑規(guī)劃和動態(tài)重規(guī)劃，以實現(xiàn)多智能體通信與協(xié)調(diào)。一般情況下，導(dǎo)航是指平臺朝目標方向移動的全過程，這與平臺運動控制相對(如保持豎直位置或為足式機器人選擇步法)。通過提高導(dǎo)航感知能力，可以提高平臺的安全性(因為人的反應(yīng)速度通常不夠快，也無法克服網(wǎng)絡(luò)的滯后性，因而無法保證導(dǎo)航的可靠性和安全性)，同時減少操作平臺或駕駛平臺時的認知工作負荷盡管這還不是以減少人力需求量。通過選擇機載感知處理方式，可以提高平臺間的反應(yīng)速度，幫助平臺對抗網(wǎng)絡(luò)攻擊或網(wǎng)絡(luò)破壞。 任務(wù)規(guī)劃、想定規(guī)劃、評估與理解、多智能體通信與協(xié)調(diào)和態(tài)勢感知都需要任務(wù)感知的支持。提高任務(wù)感知的自主感知能力，可以帶來四大好處一是機器人能夠秘密地執(zhí)行任務(wù)，例如，在不需要全程網(wǎng)絡(luò)連接的情況下進行跟蹤某個活動，從而減少網(wǎng)絡(luò)受到攻擊的可能性，減操作員的認知工作負荷；二是通過自主識別，即使是目標提示或給目標劃分優(yōu)先級別，可以減少數(shù)據(jù)分析員的需求量；三是通過機載確認或給部分擬發(fā)送數(shù)據(jù)劃分優(yōu)先級別，可以降低網(wǎng)絡(luò)需求，例如，“全球鷹”需要消耗大量帶寬；四是可將任務(wù)感知與導(dǎo)航結(jié)合，例如，指揮平臺在空中盤旋靜止、轉(zhuǎn)圈等。 平臺健康感知主要應(yīng)用于故障檢測與平臺健康管理但是，在進行故障預(yù)測、重規(guī)劃與意外管理時，也需要應(yīng)用平臺健康感知功能。加強自主健康監(jiān)控至少有三大好處：一是當(dāng)自主故障檢測、確認和修復(fù)的速度可能高于手動檢測、確認和恢復(fù)的速度時，使得故障弱化，并有助于修復(fù)故障；二是提高用戶對系統(tǒng)的任度，尤其是系統(tǒng)不按預(yù)期運行，或在任務(wù)關(guān)鍵階段突然出現(xiàn)故障時；三是進步減少操作員的認知工作負荷，不再需要特別安排一位操作員全程監(jiān)視診斷。 隨著導(dǎo)航地點從室外轉(zhuǎn)向室內(nèi)，任務(wù)重點也從遠程感知轉(zhuǎn)移到遠程行動上，操作感知變得越來越重要。利用地面機器人來將門打開是一項艱巨的任務(wù)。除此以外，需要利用操作感知來完成的其他任務(wù)包括拆除簡易爆炸裝置、車輛檢查在此過程中，需要移動毯子、包裹等物件)，以及物流與材料處理等。提高自主操作感知有兩大好處：一是它可以減少完成操作任務(wù)所需的時間及其工作負荷；是減少參與任務(wù)的機器人數(shù)量，因為在沒有提高自主操作感知能力之前，通常要另外安排第二個機器人來協(xié)助操作員隨時監(jiān)控操縱器與被操縱物體之間的關(guān)系。2. 規(guī)劃 規(guī)劃（Planning）是指能將當(dāng)前狀態(tài)改變?yōu)轭A(yù)期狀態(tài)的行動序列或偏序的計算過程。國防部將規(guī)劃定義為在盡可能少用資源的前提下，為實現(xiàn)任務(wù)目標而行動的過程。在這一過程當(dāng)中，共有兩個關(guān)鍵點：①描述行動和環(huán)境條件、設(shè)定目標／資源最優(yōu)化標準；②在遵照硬性限制條件（例如，平臺在地形和速度等方面的限制條件）、優(yōu)化軟性限制條件（例如，最大程度地減少完成任務(wù)所需的時間或人力）的前提下，提供計算行動序列和分配行動資源的算法。 各個領(lǐng)域都有自己相應(yīng)的規(guī)劃，包括商業(yè)／工業(yè)、政府和軍方等。制造業(yè)很早就已經(jīng)開始制訂物流規(guī)劃和生產(chǎn)調(diào)度，以確保各種商業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)計劃與產(chǎn)品需求相協(xié)調(diào)。例如，機器制造與交通信息管理系統(tǒng)（ETMS）專門用于規(guī)劃和管理香港地鐵系統(tǒng)的維護與修理工作：200年，Bell等人開發(fā)了人工智能規(guī)劃系統(tǒng)來設(shè)計和監(jiān)控英國電力系統(tǒng)的電壓；美國NASA所開發(fā)、部署的多個系統(tǒng)也使用了人工智能規(guī)劃；自主科學(xué)航天器實驗分析了地球觀測衛(wèi)星的實驗結(jié)果并重新規(guī)劃了問題求解和機遇開發(fā)的方法（Sherwood等，2007）；多飛行器綜合科學(xué)理解系統(tǒng)（MISUS）則專門用于在一組自主飛行器內(nèi)協(xié)調(diào)多個數(shù)據(jù)采集計劃（Estlin等，2005）；蒙特利灣海洋研究所一直致力于開發(fā)智能體控制反應(yīng)性執(zhí)行程序T－REX系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要用于控制水下自主系統(tǒng)來執(zhí)行數(shù)據(jù)采集任務(wù)（Mcgann等，2008）；OTS公司也開發(fā)了用于對新海軍艦艇進行規(guī)劃的準時信息系統(tǒng)（ARGOS）和在非作戰(zhàn)條件下的空軍飛行路徑規(guī)劃系統(tǒng)，以達到減少燃油消耗的目的（OTS，2012）。人工智能規(guī)劃有助于對復(fù)雜系統(tǒng)進行管理，其優(yōu)化組合既是最為關(guān)鍵的一個步驟，也是難于完成的一項任務(wù)。它所提供的算法還可以幫助系統(tǒng)針對無人環(huán)境（如太空、海洋等）做出相應(yīng)的行動決策（提供自主能力）。3. 多智能體協(xié)調(diào) 在執(zhí)行跨機器人/軟件智能體/自然人任務(wù)時，我們常常會提到多智能體協(xié)調(diào)這一術(shù)語。每個智能體都具有一定的自主性。多個智能體之間可以通過兩種方式進行協(xié)調(diào)，即分布式協(xié)調(diào)和集中式協(xié)調(diào)。分布式協(xié)調(diào)是指多個智能體直接進行互動或交涉；集中式協(xié)調(diào)是指在規(guī)劃器的指導(dǎo)下統(tǒng)一進行協(xié)調(diào)。無論智能體采用哪種方式進行協(xié)調(diào)，我們都必須確保智能體不僅能夠同步化，還能適應(yīng)環(huán)境或任務(wù)的動態(tài)變化。多智能體同步化經(jīng)常被理解為多智能體系統(tǒng)之間的主動協(xié)同(如機器人足球賽)或非主動協(xié)同(如螞蟻的覓食行為)。雖然協(xié)作(人一機協(xié)作)與協(xié)同之間有一定的關(guān)聯(lián)，但它指的是截然不同的主題，它假定每個智能體都對其他智能體的能力有一定的認知理解能對目標完成進度進行監(jiān)控，并且能像人類一樣進行編隊。因此，在研究過程中，多智能體協(xié)調(diào)與人一機交互是兩個相互關(guān)聯(lián)的技術(shù)領(lǐng)域，但是一般而言，多智能體協(xié)調(diào)研究主要側(cè)重于不同配置的智能體協(xié)同機制，而人一機交互則側(cè)重于協(xié)作認知。本節(jié)內(nèi)容將主要介紹多智能體協(xié)調(diào)的一個分支領(lǐng)域—一多機器人系統(tǒng)協(xié)同。 多無人平臺協(xié)調(diào)至少有四大好處：擴大覆蓋面、降低成本、提供冗余能力、實現(xiàn)規(guī)范化。與單個平臺獨立工作相比，多無人平臺協(xié)調(diào)的共同覆蓋面更廣，持久力更強，不僅可以發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)通信中繼的作用，還可以為傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋面提供保障。多個低成本無人平臺都可以替代單個高成本低可觀測平臺，也可以替代應(yīng)對“反介入”和“區(qū)域拒止”而必需的高保護級別的系統(tǒng)。在出現(xiàn)噪聲、混亂、干擾、偽裝/隱蔽欺騙現(xiàn)象時，多個低成本平臺并行可以提供冗余能力，即使其中有幾個平臺正在執(zhí)行其他任務(wù)或出現(xiàn)故障時，最后依然能夠順利地完成任務(wù)。通過協(xié)調(diào)多個專用平臺或異構(gòu)平臺，可以減少成本，降低設(shè)計要求。例如：在異構(gòu)平臺編隊中，專用無人平臺可以為其他無人平臺加燃料，從而可以達到簡化設(shè)計、降低平臺成本的目的。三、應(yīng)用挑戰(zhàn) 1. 系統(tǒng)能力 自動化有助于在滿足一致性、可靠性和可預(yù)測性的前提下按照編程執(zhí)行行動，其挑戰(zhàn)在于,這些行動通常只適于具備限制條件的態(tài)勢(即設(shè)計人員預(yù)見并且軟件開發(fā)人員并為之編程的態(tài)勢),以及局限于為感知理解所處環(huán)境而使用的有限傳感器列陣所提供的測量值。開發(fā)既能精確感知,又能準確理解(識別并分類)所檢測目標( Object),并確立相互之間的關(guān)系以及更主要的系統(tǒng)目標(Goal),是自動化的重大挑戰(zhàn),尤其是在遇到預(yù)期外(不在設(shè)計范圍內(nèi))的目標、事件或態(tài)勢時(Object, Event, or Situation)。智能決策需要這種能力。然而,目前大多數(shù)自動化技術(shù)都存在脆弱性( Brittleness),換言之,在設(shè)計和編程范圍內(nèi)的態(tài)勢下能夠正常使用,但需要人的干預(yù)來處理設(shè)計和范圍以外的態(tài)勢。 另外,人雖然存在個體差異,但通常具備掌握大局(整體任務(wù)目標)、評估態(tài)態(tài)勢(行動上下文)、飛行中思考的能力,以適應(yīng)新的態(tài)勢,并不是按照基于規(guī)則方式(大多數(shù)軟件編程如此),更多地依賴于模式識別、心智模型、類比推理(有時在非常抽象的層面上)。然而,人并不擅長快速連貫地處理大量數(shù)據(jù),也難以長時間保持注意力。 隨著自主能力的不斷提升(包括應(yīng)對更多樣的態(tài)勢和不確定性的能力),我們預(yù)測未來系統(tǒng)對人的干預(yù)需求將會下降。然而,在可以預(yù)見的未來,仍然需要保持一定程度的人一系統(tǒng)交互,其原因包括: (1)硬件越來越復(fù)雜,因而更容易出現(xiàn)故障。 (2)軟件越來越復(fù)雜,因而更容易出現(xiàn)漏洞,脆弱性也隨之上升。 (3)這些系統(tǒng)將在對抗環(huán)境中使用,因而可能會遇到初始設(shè)計人員未曾考 的態(tài)勢 簡言之,隨著軟硬件通過擴展來適應(yīng)更多態(tài)勢或作戰(zhàn)模式,并且在越來越復(fù)的環(huán)境中使用系統(tǒng),系統(tǒng)的復(fù)雜性將明顯上升。這會導(dǎo)致以下結(jié)果： (1)由于復(fù)雜性升高,導(dǎo)致系統(tǒng)的可理解性下降(即為何這樣做? (2)給定態(tài)勢下執(zhí)行方式的可預(yù)測性下降,向必須與系統(tǒng)交互的人提出了嚴峻挑戰(zhàn) (3)為解決前述兩個問題而進行人為干預(yù)所需的通信鏈的脆弱性上升。 因此美國空軍在可預(yù)見的未來,大多數(shù)甚至全部作戰(zhàn)行動將采取人和自主合的方式,從而在面對特定敵手時的各種作戰(zhàn)條件下完成任務(wù)。自主性將用以降低手動數(shù)據(jù)處理和集成需求,提高速度,并在軟硬件能力范圍內(nèi)執(zhí)行有關(guān)行動。我們?nèi)匀恍枰獧C組人員來進行與自主性高層目標指示有關(guān)的指揮與控制。因為機組人員掌握了設(shè)計界限和/或情境(上下文)感知范圍以外的知識,可以新的態(tài)勢,并與其他部隊和活動進行協(xié)調(diào)。2. 態(tài)勢感知與人在回路外的執(zhí)行問題 與自主系統(tǒng)協(xié)作時的態(tài)勢感知是確保系統(tǒng)按照作戰(zhàn)目標運行的關(guān)鍵。人監(jiān)督自動化所面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是人在回路外(Out-of-the-Loop),換言之,檢測自動化所出現(xiàn)的問題,或者是自動化控制的系統(tǒng)所出現(xiàn)的問題,人的速度較慢,因此無法快速地完成問題診斷和適當(dāng)干預(yù)。究其原因,是在使用自動化時由以下原因?qū)е聭B(tài)勢感知明顯下降： (1)接口不提供必要信息,且通常缺乏系統(tǒng)狀態(tài)反饋 (2)要求人經(jīng)常監(jiān)視的系統(tǒng)(而這也是人并不擅長的一種技能,因為人在監(jiān)視時每次至多30分鐘,警覺性便會下降)。 (3)從主動信息處理切換至被動信息處理許多航空事故之所以發(fā)生,都是因為飛行員不在回路中,因而無法及時地進行適當(dāng)干預(yù)。 此外,飛行員在理解自動化工作內(nèi)容的問題上(甚至是在正常操作過程中主動嘗試理解時)也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。如果對所顯示的信息存在誤解。有時是因為誤讀系統(tǒng)模式,或者未能準確地預(yù)測系統(tǒng)在給定態(tài)勢下的反應(yīng),將會導(dǎo)致態(tài)勢感知不精確,進而決策失當(dāng)。即使是訓(xùn)練有素的飛行員也可能無法充分地理解自動飛行導(dǎo)航與制導(dǎo)控制系統(tǒng)的所有模式,因而會在一定程度上影響與自動化的有效交互。未來系統(tǒng)需要更加注重開發(fā)能使所有機組成員保持期望的態(tài)勢感知水平的自主性方法。公司簡介中科智航是一家以無人機研發(fā),生產(chǎn),銷售,服務(wù),培訓(xùn)于一體的高科技企業(yè)，公司始終秉承“誠信贏得市場，服務(wù)鑄造品牌”的經(jīng)營理念,為公安、消防,電力,水利,環(huán)保等行業(yè)客戶提供無人機產(chǎn)品以及航測,航拍,巡檢等無人機技術(shù)服務(wù).我們擁有專業(yè)的無人機航測,無人巡檢技術(shù)隊伍,無人機航測可廣泛應(yīng)用于國家重大工程建設(shè),新農(nóng)村和小城鎮(zhèn)建設(shè)等方面,尤其在基礎(chǔ)測繪,應(yīng)急救災(zāi)數(shù)據(jù)獲取等方面具有廣闊前景。無人機巡檢技術(shù)可應(yīng)用于對通信基站的巡查；河流污染源排查；高速公路的巡視；城市違章建筑取證等，我們已經(jīng)累計服務(wù)了省內(nèi)外100余家企事業(yè)單位并建立了長期合作的關(guān)系,在無人機培訓(xùn)領(lǐng)域,我們與20余所大中專院校達成了校企合作共建無人機專業(yè)的合作模式，通過培養(yǎng)無人機相關(guān)高科技人才,不斷創(chuàng)新滿足各行業(yè)對無人機應(yīng)用的需求。中科智航始終致力于為客戶提供最佳的無人機產(chǎn)品及技術(shù)解決方案，期待與您的合作。咨詢電話：15143446624