基于飛行安全的無人機(jī)控制技術(shù)發(fā)展趨勢研究

韓泉泉+席慶彪+劉慧霞+張波

摘 要： 從無人機(jī)飛行安全的角度出發(fā)，研究分析了目前國內(nèi)外無人機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了基于飛行安全的無人機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展需求，采用自主控制和人工決策相結(jié)合的控制技術(shù)，提高無人機(jī)飛行操縱過程中的自主控制能力，降低人為操縱的干預(yù)程度，從而有效提高無人機(jī)系統(tǒng)的安全性。

關(guān)鍵詞： 飛行安全； 無人機(jī)； 自主控制； 人工控制； 飛行操控模式

中圖分類號： TN973?34； V279； V249.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）13?0022?04

Development trends of UAVs control technology based on flight safety

HAN Quan?quan1， XI Qing?biao2， LIU Hui?xia2， ZHANG Bo2

（1. Xian ASN Technology Group Company， Xian 710065， China；

2. Institute of UAV Technology， Northwestern Polytechnic University， Xian 710065， China）

Abstract： The current unmanned aerial vehicle （UAV） control technology at home and abroad is researched to ensure the flight safety. The development demands for UAV control technology based on the flight safety are proposed. The control technology combining the autonomous control and human decision is adopted to enhance the adaptive control ability during the flight and reduce the manual interference， so that the safety of the UAV system is improved effectively.

Keywords： flight safety； UAV； autonomous control； human control； flight handling mode

0 引 言

在近年的歷次局部戰(zhàn)爭和反恐任務(wù)中，無人機(jī)都發(fā)揮了重要的作用，其發(fā)展勢頭十分迅猛。但是，隨著無人機(jī)性能的提高，其操縱控制也趨于復(fù)雜化，從而導(dǎo)致飛行操縱員以及指揮員的壓力劇增，并嚴(yán)重影響了無人機(jī)系統(tǒng)的安全性。

1 概念及研究意義

1.1 概念

無人機(jī)的控制方式有兩種，一種是無人機(jī)飛行操縱員通過地面控制站控制/管理無人機(jī)飛行，即人工控制方式；第二種是通過使用機(jī)載計算機(jī)、通信鏈路和為保證無人機(jī)安全運行所需要的任何其他輔助設(shè)備進(jìn)行自主飛行，即自主控制方式。

自主控制由于缺乏人為直接的控制決策，其含義強(qiáng)調(diào)“無外界控制干涉”，以及“自我控制決策”。從這個意義上講，自主控制可以看成是自動控制的高級發(fā)展階段，本質(zhì)上屬于智能控制，是一多學(xué)科的交叉，涉及到自動控制、人工智能、運籌學(xué)、信息論、系統(tǒng)論、計算機(jī)科學(xué)、人類工程學(xué)等。其中自動控制實現(xiàn)過程閉環(huán)動態(tài)反饋控制，保證系統(tǒng)的運動學(xué)和動力學(xué)的優(yōu)良品質(zhì)；人工智能提供信息處理、形式語言、啟發(fā)式推理、記憶、學(xué)習(xí)和優(yōu)化決策等功能；運籌學(xué)完成系統(tǒng)的規(guī)劃、管理、協(xié)調(diào)與調(diào)度等功能；信息論提供信息傳遞、信息變換、知識獲取、知識表示和人機(jī)通信等功能[1]。

自主控制是在“非?！蔽唇M織的環(huán)境結(jié)構(gòu)下采用的“高度”自動控制。其中“高度”自動控制指的是無人、無外界干預(yù)的控制過程，而未組織的環(huán)境結(jié)構(gòu)主要是由不確定性所引起的。一般不確定性分為如下幾種：參數(shù)不確定性；未建模動態(tài)；隨機(jī)擾動；傳感器/量測裝置噪聲；多agent及復(fù)雜的信息模式；某個附加的控制信號為敵方操縱；量測噪聲強(qiáng)度被我方和/或敵方干擾臺所控制；敵方在決定性的量測或控制中引入錯誤的信息等[2]。

1.2 研究意義

無人機(jī)飛行操縱員采用地面控制站或小型控制設(shè)備遠(yuǎn)程遙控?zé)o人機(jī)實施飛行操縱、任務(wù)操縱和系統(tǒng)管理。無人機(jī)操縱控制是一項極具專業(yè)性的工作，飛行操縱員操作失誤是造成無人機(jī)飛行事故的主要因素之一。

根據(jù)統(tǒng)計，美軍無人機(jī)在2001—2011年的10年期間，共發(fā)生了95起飛行事故，同時數(shù)據(jù)還顯示，在無人機(jī)的飛行事故中，起飛與著陸過程中發(fā)生的機(jī)毀事故占的比例較高。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于“人為因素”導(dǎo)致無人機(jī)墜機(jī)的比例達(dá)到了75%，例如“捕食者”無人機(jī)，其80%的墜毀事故都為人為差錯[3]。

隨著無人機(jī)軍事用途的不斷擴(kuò)展、各軍兵種裝備無人機(jī)種類越來越多以及各兵種無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)的需要，飛行操縱員將面臨著“爆炸式”的信息涌入，客觀上需要飛行操縱員根據(jù)戰(zhàn)場信息的變化，及時、準(zhǔn)確地制定和控制無人機(jī)作戰(zhàn)，將導(dǎo)致飛行操縱員以及指揮員的壓力劇增，甚至無法應(yīng)對。

針對人為操控原因引起的飛行安全問題，主要的解決路徑就是發(fā)展自主控制技術(shù)。無人機(jī)的自主控制可在很大程度上降低其對人工操縱的依賴程度，避免操縱人員可能出現(xiàn)的誤判斷、誤操作以及長時間飛行可能給操縱人員心理產(chǎn)生影響等因素對無人機(jī)的飛行安全造成影響，從而提高其在不確定環(huán)境和突發(fā)事件中的生存能力。

另一方面，在當(dāng)今技術(shù)水平發(fā)展限制條件下，研究無人機(jī)自主控制與人工操縱融合控制技術(shù)，有利于發(fā)揮自主控制的智能性和人工控制的決策能力，最大限度地將無人機(jī)飛行事故降低至最小程度，提高無人機(jī)作戰(zhàn)效能。研究自主控制完全等級和人工操縱完全等級范疇以及相合點，在飛行事件突發(fā)情況下求解自主控制與人工操縱最優(yōu)安全等級，檢測部件和控制要素的安全性，盡可能最大限度利用這些安全要素進(jìn)行自主控制機(jī)動和最少人工干預(yù)負(fù)荷來控制無人機(jī)安全飛行，甚至執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀

2.1 國外現(xiàn)狀

美國的無人機(jī)技術(shù)處于世界前列，其無人機(jī)的發(fā)展方向代表了世界無人機(jī)的發(fā)展趨勢。為了指導(dǎo)和規(guī)劃美國無人機(jī)的發(fā)展，美國國防部在2000—2007年共公開發(fā)表了4個官方文件：《2000—2025年無人機(jī)路線圖》、《2002—2027年無人機(jī)路線圖》、《2005—2030年無人機(jī)系統(tǒng)路線圖》和《2007—2032年美國無人系統(tǒng)路線圖》。其中給出了美軍無人機(jī)自主控制等級的發(fā)展趨勢圖，把自主控制的級別劃分為十個等級，以此作為評價無人機(jī)自主程度的標(biāo)準(zhǔn)，其等級定義[4]見表1。

無人機(jī)路線圖對具有代表性的、在研的和已規(guī)劃的無人機(jī)的自主控制等級進(jìn)行了較明確的定義[4]，見表2。

由表2可以看出，目前由于技術(shù)條件的限制， “捕食者”無人機(jī)僅達(dá)到2級的自主程度，而赫赫有名的“全球鷹”無人機(jī)也只有接近3級的自主程度，無人機(jī)的自主化程度還較低。

2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

近幾年，國內(nèi)一些學(xué)者對無人機(jī)自主控制等級進(jìn)行了分析[5?7]， 還有一些學(xué)者相繼提出了幾種無人機(jī)自主控制能力的分級方式[8?10]。其中一種分級方式是將自主控制的能力衡量等級由低到高分為六級，見表3[8]。

由表3可看出：

（1） 自主控制應(yīng)具有適應(yīng)性，適應(yīng)由環(huán)境、任務(wù)以及對象等帶來的各種不確定因素，使系統(tǒng)在無人參與的情況下實現(xiàn)自主控制。

（2） 自主控制應(yīng)具有智能性和協(xié)同性，系統(tǒng)作為獨立的、自主的智能體，可與其他系統(tǒng)進(jìn)行自主協(xié)調(diào)、協(xié)同等控制行為。

（3） 高級的自主系統(tǒng)必須具備自修復(fù)和自學(xué)習(xí)能力，及能夠根據(jù)對象、環(huán)境、任務(wù)及控制效果，通過自主的修正、優(yōu)化和學(xué)習(xí)的行為，提高控制性能。

因此，高級的自主系統(tǒng)應(yīng)具有適應(yīng)性、智能性、協(xié)同性、自修復(fù)、自學(xué)習(xí)等特點。能夠在不確定的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)，具有更好的安全性和空域飛行能力。它所面臨的挑戰(zhàn)就是在不確定性的條件下，實時或近實時地解決一系列最優(yōu)化的求解問題，本質(zhì)上就是需要建立不確定性前提下處理復(fù)雜問題的自主決策能力[11]。

目前國內(nèi)無人機(jī)經(jīng)過多年的發(fā)展，無人機(jī)種類繁多，但是其操縱依然是人工操縱為主，僅能夠完成基本功能的自主程序控制。自主控制的水平依然較低，要實現(xiàn)完全意義上的無人機(jī)全自主控制，目前仍存在較大的差距。

3 發(fā)展方向與趨勢

綜合國內(nèi)外的研究和分析，提出無人機(jī)控制體系架構(gòu)應(yīng)逐步實現(xiàn)人工操作——自主控制——融合控制，研究自主控制和人工決策相結(jié)合的控制技術(shù)，提高無人機(jī)飛行操縱過程中的自主控制能力，降低人為操縱的干預(yù)程度，且人工操縱主要以發(fā)送指揮引導(dǎo)指令為主，從而有效提高無人機(jī)系統(tǒng)安全性。在技術(shù)發(fā)展過程中應(yīng)該按照自主分級逐步實現(xiàn)自主化，在不同等級下，重點研究人工干預(yù)與自主之間的邊界界定和決策優(yōu)先級劃分規(guī)則等問題。

根據(jù)國內(nèi)無人機(jī)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，針對無人機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境，提出兩級無人機(jī)飛行操控模式。

3.1 基本模式

在該模式下，以人工控制為主程序控制為輔。系統(tǒng)具備自動檢測能力，提供系統(tǒng)狀態(tài)信息，主要包括故障報警以及輔助操作信息，同時系統(tǒng)具備一定的判斷決策能力，可以按設(shè)定的程序完成控制。

系統(tǒng)分層構(gòu)架設(shè)計：

第一層：系統(tǒng)BIT技術(shù)，能夠?qū)ο到y(tǒng)關(guān)鍵部件進(jìn)行在線檢測，具備較高的檢測覆蓋率以及實時性；

第二層：診斷與報警技術(shù)，具備較為簡單的故障定位能力以及較低的虛警率；

第三層：輔助操作技術(shù)，在最小工作負(fù)荷約束條件下提示和引導(dǎo)人工輔助操縱，最大限度地確保飛行安全；

第四層：人工決策控制，可根據(jù)系統(tǒng)顯示狀態(tài)信息，進(jìn)行指令控制飛行。

在該模式下，對飛行操控人員要求較高，操控人員本身素質(zhì)會直接影響系統(tǒng)安全性，要求操控人員掌握系統(tǒng)各相關(guān)專業(yè)知識，通過必要的技能培訓(xùn)，并積累相當(dāng)?shù)娘w行經(jīng)驗。

（1） 系統(tǒng)正常飛行條件下，無人機(jī)可按設(shè)定的程序以及任務(wù)規(guī)劃信息，進(jìn)行程序控制飛行，操控人員可通過上行鏈路發(fā)送指揮控制指令，控制無人機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)；

（2） 系統(tǒng)異常條件下，操控人員通過系統(tǒng)提供的故障報警信息，進(jìn)行故障判定并做出決策，結(jié)合輔助操作信息，控制無人機(jī)飛行。

3.2 高級模式

在高級模式下，系統(tǒng)安全基于裝備本身自主控制能力，具備對設(shè)備以及環(huán)境的感知與決策能力，飛行過程基本不依賴人工干預(yù)。在系統(tǒng)本身無法感知外界威脅的條件下，操作人員可利用系統(tǒng)外信息進(jìn)行決策與輔助控制，且具備控制最高優(yōu)先權(quán)。系統(tǒng)要求具備自主檢測、診斷、修復(fù)能力，可以自我保障系統(tǒng)飛行安全性。

系統(tǒng)分層構(gòu)架設(shè)計：

第一層：自主診斷與重構(gòu)，覆蓋系統(tǒng)內(nèi)所有環(huán)節(jié)及單元，無人機(jī)具備健康狀態(tài)診斷與重構(gòu)技術(shù)，最大限度地重組、容錯和隔離故障源，快速重構(gòu)控制結(jié)構(gòu)，對自身狀態(tài)具備監(jiān)控修復(fù)能力；

第二層：感知與規(guī)避，系統(tǒng)可利用自身傳感器獲取的信息以及外界提供的輔助信息，具備對系統(tǒng)外環(huán)境的自主感知能力，包括氣象、地理、電磁以及空管等，系統(tǒng)狀態(tài)能夠適應(yīng)環(huán)境變化；

第三層：協(xié)同控制，系統(tǒng)可利用關(guān)聯(lián)單元狀態(tài)信息，自主與相關(guān)單元相互協(xié)同，構(gòu)成應(yīng)用體系形成聯(lián)合作戰(zhàn)能力，并且可智能修正與調(diào)節(jié)；

第四層：決策與指揮，系統(tǒng)對于飛行安全超限指令、非授權(quán)指令、竊取侵入指令等具備自動屏蔽能力，人工介入僅為頂層任務(wù)分配與調(diào)度。

在該模式下，對操控人員飛行技能要求較低，系統(tǒng)自主能力直接影響系統(tǒng)安全性。

（1） 系統(tǒng)正常飛行條件下，無人機(jī)完全按頂層規(guī)劃信息并根據(jù)系統(tǒng)自身狀態(tài)自主控制飛行，操控人員僅通過下行鏈路信息監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)，原則上不參與系統(tǒng)控制；

（2） 系統(tǒng)異常條件下，無人機(jī)可自主診斷決策和控制保障系統(tǒng)飛行安全，操控人員可利用系統(tǒng)外信息，對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行評估并做出決策，可為無人機(jī)提供指揮信息，引導(dǎo)無人機(jī)飛行。

根據(jù)上述兩級無人機(jī)飛行操控模式，建議將飛行操控能力按等級由低到高分為八級，見表4。

將上述飛行操控等級與美國無人機(jī)自主控制等級相對比，對應(yīng)情況見表5。

4 結(jié) 論

無人機(jī)系統(tǒng)安全性主要取決于系統(tǒng)控制體系架構(gòu)設(shè)計，無人機(jī)對自身和環(huán)境變化應(yīng)具備自適應(yīng)能力。系統(tǒng)的安全性、魯棒性主要依賴于系統(tǒng)自主控制技術(shù)，同時加強(qiáng)操作人員的技能培訓(xùn)，并且建立無人機(jī)系統(tǒng)空中交通管理及電磁頻譜管理體制，以滿足在復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境下無人機(jī)的飛行安全要求。

無人機(jī)系統(tǒng)的自主控制技術(shù)是一個富有挑戰(zhàn)性的課題，提高無人機(jī)系統(tǒng)的自主性是永恒的追求目標(biāo)。建議通過發(fā)展下列技術(shù)提高無人機(jī)系統(tǒng)控制技術(shù)：

建立中國的自主控制能力衡量等級；建立無人機(jī)自主控制的體系結(jié)構(gòu)；故障診斷、容錯與自修復(fù)重構(gòu)技術(shù)；在線態(tài)勢感知與自主決策、規(guī)避技術(shù)；動態(tài)規(guī)劃技術(shù)；智能控制技術(shù)；協(xié)同與交互技術(shù)；信息安全技術(shù)。

研究人為操控原因引起的飛行安全問題，通過發(fā)展無人機(jī)系統(tǒng)控制技術(shù)、完善無人機(jī)系統(tǒng)的管理體制，對正確運行管理無人機(jī)系統(tǒng)，提高無人機(jī)飛行安全，避免飛行事故的發(fā)生，具有很大的現(xiàn)實意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 唐強(qiáng)，朱志強(qiáng)，王建元.國外無人機(jī)自主飛行控制研究[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2004，26（3）：418?422.

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根據(jù)上述兩級無人機(jī)飛行操控模式，建議將飛行操控能力按等級由低到高分為八級，見表4。

將上述飛行操控等級與美國無人機(jī)自主控制等級相對比，對應(yīng)情況見表5。

4 結(jié) 論

無人機(jī)系統(tǒng)安全性主要取決于系統(tǒng)控制體系架構(gòu)設(shè)計，無人機(jī)對自身和環(huán)境變化應(yīng)具備自適應(yīng)能力。系統(tǒng)的安全性、魯棒性主要依賴于系統(tǒng)自主控制技術(shù)，同時加強(qiáng)操作人員的技能培訓(xùn)，并且建立無人機(jī)系統(tǒng)空中交通管理及電磁頻譜管理體制，以滿足在復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境下無人機(jī)的飛行安全要求。

無人機(jī)系統(tǒng)的自主控制技術(shù)是一個富有挑戰(zhàn)性的課題，提高無人機(jī)系統(tǒng)的自主性是永恒的追求目標(biāo)。建議通過發(fā)展下列技術(shù)提高無人機(jī)系統(tǒng)控制技術(shù)：

建立中國的自主控制能力衡量等級；建立無人機(jī)自主控制的體系結(jié)構(gòu)；故障診斷、容錯與自修復(fù)重構(gòu)技術(shù)；在線態(tài)勢感知與自主決策、規(guī)避技術(shù)；動態(tài)規(guī)劃技術(shù)；智能控制技術(shù)；協(xié)同與交互技術(shù)；信息安全技術(shù)。

研究人為操控原因引起的飛行安全問題，通過發(fā)展無人機(jī)系統(tǒng)控制技術(shù)、完善無人機(jī)系統(tǒng)的管理體制，對正確運行管理無人機(jī)系統(tǒng)，提高無人機(jī)飛行安全，避免飛行事故的發(fā)生，具有很大的現(xiàn)實意義。

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根據(jù)上述兩級無人機(jī)飛行操控模式，建議將飛行操控能力按等級由低到高分為八級，見表4。

將上述飛行操控等級與美國無人機(jī)自主控制等級相對比，對應(yīng)情況見表5。

4 結(jié) 論

無人機(jī)系統(tǒng)安全性主要取決于系統(tǒng)控制體系架構(gòu)設(shè)計，無人機(jī)對自身和環(huán)境變化應(yīng)具備自適應(yīng)能力。系統(tǒng)的安全性、魯棒性主要依賴于系統(tǒng)自主控制技術(shù)，同時加強(qiáng)操作人員的技能培訓(xùn)，并且建立無人機(jī)系統(tǒng)空中交通管理及電磁頻譜管理體制，以滿足在復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境下無人機(jī)的飛行安全要求。

無人機(jī)系統(tǒng)的自主控制技術(shù)是一個富有挑戰(zhàn)性的課題，提高無人機(jī)系統(tǒng)的自主性是永恒的追求目標(biāo)。建議通過發(fā)展下列技術(shù)提高無人機(jī)系統(tǒng)控制技術(shù)：

建立中國的自主控制能力衡量等級；建立無人機(jī)自主控制的體系結(jié)構(gòu)；故障診斷、容錯與自修復(fù)重構(gòu)技術(shù)；在線態(tài)勢感知與自主決策、規(guī)避技術(shù)；動態(tài)規(guī)劃技術(shù)；智能控制技術(shù)；協(xié)同與交互技術(shù)；信息安全技術(shù)。

研究人為操控原因引起的飛行安全問題，通過發(fā)展無人機(jī)系統(tǒng)控制技術(shù)、完善無人機(jī)系統(tǒng)的管理體制，對正確運行管理無人機(jī)系統(tǒng)，提高無人機(jī)飛行安全，避免飛行事故的發(fā)生，具有很大的現(xiàn)實意義。

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