无人机自主控制等级及其系统结构的分析

无人机自主控制等级及其系统结构的分析[摘要]制定无人机自主控制等级是了解无人机自主控制水平的关键，同时也可以为无人机自主控制技术的发展提供方向。本文首先对无人机自主控制技术及相关理论基础进行简单介绍，以美国无人机自主控制等级的划分情况为例，探讨国外研究进展，并结合我国无人机技术的具体情况，提出一种适用于我国无人机自主控制等级划分的规划对策。在此基础上，对无人机自主控制系统结果进行具体分析。[关键词]无人机；自主控制等级；系统结构中图分类号：V249.1文献标识码：A文章编号：1009-914X（2018）21-0092-02前言：无人机飞行任务的特点决定其控制系统必须具有较高的自主性，能够对复杂的环境和任务内容进行控制调整。目前?o人机控制技术是无人机研究领域的难点问题，随着信息技术的发展，无人机自主控制将相分布式、网络化和协同控制方向发展。在技术发展过程中，对无人机的自主控制水平进行等级评价，可以找到技术存在的不足，并把握好技术发展方向，从而逐渐提高无人机自主控制水平。目前美国在无人机技术的研究方面处于领先地位，自主控制等级划分也较为完善，可以为国内无人机自主控制等级的制定提供借鉴。一、无人机自主控制技术及相关理论基础（一）完全自主控制无人机自主控制技术的发展目标是实现完全自主控制。在无人机的任务执行过程中，机载信息获取能力、信息传输与应用能力以及控制自主性是无人机使用性能的决定性因素。美国率先提出无人机自主性研究目标，并将态势感知、多平台网络化通信和作战、智能自主性作为关键技术内容。完全自主控制目标的实现需要经过一个渐进发展过程，可以对其技术水平进行等级划分，评估目前研究进展，制定未来发展计划，逐步实现技术研究目标。在此基础上，应对不同等级进行细分，明确每个等级的关键技术，无人机完全自主控制。从技术内容来看，要实现这一目标，无人机需要具备类似人脑的决策能力，因此，对无人机自主控制技术的研究主要以人的智能神经系统为参考。（二）智能神经系统人的神经控制系统是一个完美的自主控制体系，能够在各种复杂的环境条件下，作出综合性决策，采取正确的行为实现具体目标。可以将人的智能化控制理解为一种分析计算能力，在已有信息的基础上，进行计算、推理、学习，对新态势进行整理归纳，最终作出控制决策。可以将人的智能活动分为显意识、无意识、下意识和前意识几个层次。人的神经系统则是信息传递和决策的支持系统，可以分为三层结构，从上到下一次为决策性行为、程序性行为和反射性行为，分别对应大脑皮层、神经中枢和感知神经等组织机构。这三个自主控制层次呈递阶结构，分别支持不同的自主行为。对无人机自主控制等级的划分，也以类似的三层次结构为基础。二、国外无人机自主控制等级分析（一）美国无人机自主控制等级划分美国空军实验室从2000年开始研究无人机自主控制技术，将其自主控制能力划分为10个等级，从低到高依次为遥引导、实时故障诊断、故障自修复及环境自适应、机载航路重规划、多机协调、多机战术重规划、多机战术目标、分布式控制、机群战略目标和全自助机群[1]。这种等级划分也反映出美国无人机自主控制技术的发展路线，具体如图1所示。可以将美军制定的10个自主控制技术等级划分为三个层次：（1）单机自主控制层次，包括前4级的遥引导、实时故障诊断、故障自修复及环境自适应、机载航路重规划；（2）多机自主控制层次，包括5～7级的多机协调、多机战术重规划和多机战术目标；（3）机群自主层次，包括8～10及的分布式控制、机群战略目标和全自主机群。自主控制等级越高，无人机的智能型和适应性越强，从而能够使其满足更加复杂的任务和环境控制要求[2]。若将上述10个等级映射到人的智能神经系统，则与三层递阶情况的对应情况为：（1）1～2级对应执行层的反射性行为；（2）3级对应组织协调层的程序性行为；（3）4～10级对应决策层的决策性行为。因此，这种等级划分方式具有较高的科学性，能够通过技术研究逐步实现，最终达到完全自主控制目标[3]。（二）互联互通能力等级划分无人机之间的信息互联互通是实现无人机自主控制的重要基础，信息互联互通技术在无人机自主控制技术发展的不同阶段也有不同的作用要求。互联具体是指在网络环境下，应用不同的信息交互标准，实现数据交互，只要满足连接接口和交互规范的两个系统，就可以进行互联。而互通则是指独立与网络环境，实现应用层面的信息互通。互联互通能力的等级越高，无人机指令通道的信息量就越少，其互操作能力则越强。目前一般将信息互联互通能力分为五个等级，与自主控制等级的对应情况为：（1）互联互通Level1对应自主控制的1～3级；（2）互联互通Level2对应自主控制的4级；（3）互联互通Level3对应自主控制的5～7级，互联互通Level4对应自主控制的8～9级，互联互通Level5对应自主控制的10级[4]。三、国内无人机自主控制等级的规划策略（一）对美国无人机自主控制等级作出的改进根据我国无人机自主控制技术的研究情况，合理制定自主控制等级，可以帮助研究者更直观的了解目前自主控制技术取得的成果，为自主控制技术的未来发展提供方向。从无人机自主控制技术的本质来看，实际是一种由无人机智能控制系统代替驾驶员操作行为的智能系统。美国无人机自主控制等级划分也是以人的智能神经系统为基础搭建的等级框架。我国在制定自主控制等级时，可以参照美军的10级划分结构，并对其作出必要的改进。具体改进内容如下：（1）处于对我国无人机技术发展状况的考虑，将第1级遥引导改变为遥控及结构性程序控制；（2）美国10级等级体系中第5级的多机协同属于技术层次的概括，但其本质属于智能活动，应在保留其内容的同时，更名为多机编队和任务系统，从而适应我国的军事应用特征；（3）第8级分布式控制也属于技术概括，属于信息结构和控制方案的范畴，不属于一类智能活动，因此应取消该等级，将其内容纳入全自主集群控制之中；（4）为适应我国无人机技术发展，应将第7级改变为多机战术目标重规划，将第9级改变为集群战略目标重规划。在此基础上，合理制定各自主控制等级的技术内容[5]。（二）我国无人机自主控制等级划分的建议对策按照上述思路，构建适用于我国无人机技术发展的9级自主控制等级体系。各等级功能主要由自主决策、控制技术、信息共享技术提供支撑，具体内容如表1所示。制定上述9级自主控制体系可以满足我国无人机技术发展的评价和技术指导需求。具体的框架内容仅作为建议参考，在实际研究过程中不是一成不变的，而需要根据无人机具体任务进行裁减或调整。相比之下，9级结构的自主控制等级更符合我国无人机军事应用特征，而且取消了非智能控制的分布式控制等级。四、无人机自主控制系统结构分析（一）自主控制系统的组成结构通过对人的认知和控制行为进行研究，可以延伸出无人机自主控制系统框架，在结构体系中纳入与人的认知行为类似的学习、预测、决策和规划等功能，与传统的无人机导航、控制和指导系统共同组成自主控制系统。因此，该系统框架是一个基于认知行为的控制系统，与人的智能神经系统分层结构类似，每层结构的特点和功能如下：（1）反射性行为层，包括传统无人机自动飞行系统的导航、控制和制导功能；（2）程序性行为层，包括平台故障的自修复功能以及环境自适应功能；（3）决策性行为层，包括态势感知、任务规划、智能决策等功能。在此基础上，将三层结构映射为具有物理意义的无人机自主控制系统。其主要功能模块包括任务管理模块、飞行管理模块和控制执行模块等。系统总体架构如图2所示。（二）主要功能模块分析1、任务管理模块任务管理模块以信息管理为基础，通过对任务信息和环境信息的解读，控制无人机的任务执行路径，提前?A测风险，规避威胁，独立或协同完成任务。任务管理模块的具体功能包括：（1）信息管理（InformationManagement），在实现信息互联互通的基础上，对任务信息和环境信息进行捕获与分析，识别目标身份和意图，对威胁等级进行评价；（2）任务荷载管理（PayloadManagement），支持目标搜索与跟踪，对传感器进行管理，连续判别武器发射条件，在授权下进行武器投放控制；（3）任务重规划（MissionReplannning），预规划内容出现变化或检测到冲突和突发事件时，对任务路径进行重新规划，确保任务能够完成；（4）特殊事件管理（SpecialEventManagemengt），检测、判断突发事件和未规划事件，包括目标的消失和重新出现等，并对突发状况进行处理；（5）任务链管理（MissionLinkManagement），对已规划的任务进行实时调度和管理；（6）协调任务管理（CooperationManagement），对战略目标和战术进行规划和重规划，完成协同决策和协同任务分配。2、飞行管理模块飞行管理模块主要为无人机飞行控制的时空同步提供支持，对其飞行路线、机动性和分型状态进行检测和控制，在不同环境状态下执行相适应的控制指令。飞行管理模块的主要功能包括：（1）导航控制（Navigation），包括无人机平台自身定位功能和多机协同任务下的相对导航定位功能等；（2）航路点管理（WaypointManagement），对航路点进行规划和跟踪管理，确保航路点设计能够完成任务，及时发现、消解冲突，规避路径威胁，提高战术机动性；（3）健康管理（HealthManagement），对平台故障进行诊断，控制重构，对机载设备进行管理；（4）性能管理（PerformanceManagement），主要对无人机垂直飞行剖面和爬升速度进行管理，满足经济、最短时间等性能指标要求；（5）资源管理（ResourceManagement），对无人机的燃油、任务时间和飞行时间进行检测与管理；（6）协同控制（CooperationManagement），为上层管理确定的协同控制和重构提供支持；（7）多模态管理及制导（Multiple-modeManagementandGuidance），对不同飞行任务模态、平台内外模态进行管理，产生与之相适应和控制指令。3、控制模块控制模块主要完成具体控制指令的执行与跟踪管理，具体功能包括：（1）荷载控制系统（PayloadControlSystem），根据任务管理指令实现目标所搜索与跟踪控制；（2）武器控制系统（WeaponControl），根据武器发射条件及授权，进行武器投放控制；（2）飞行控制系统（FlightControlSystem），对无人机飞行姿态和速度进行控制，保持最佳飞行状态。结束语：综上所述，无人机自主控制等级的制定可以为研究成果评价及技术发展提供依据。以人的智能神经系统为基础，可以确保自主控制等级总体架构的合理性。通过参照美国制定的10级自主控制等级体系，对其进行必要的更改，可以得到适用于我国无人机技术发展的9级自主控制等级体系。并以此为基础，构建无人机自主控制系统，可以确保确保自主控制技术的完备性，实现各个主要技术功能。参考文献[1]石鹏飞.无人机自主控制技术发展与挑战[J].科技导报，2017，35（07）：32-38.[2]张友民，余翔，屈耀红，刘丁.无人机自主控制关键技术新进展[J].科技导报，2017，35（07）：39-48.[3]范彦铭.无人机的自主与智能控制[J].中国科学：技术科学，2017，47（03）：221-229.[4]贺若飞，李大健，刘宏娟，刘慧霞.无人机自主控制应用需求及研究发展分析[J].火力与指挥控制，2016，41（05）：1-5+14.[5]朱华勇，牛轶峰，沈林成，张国忠.无人机系统自主控制技术研究现状与发展趋势[J].国防科技大学学报，2010，32（03）：115-120.