無人機自主控制系統(tǒng)的能力需求、結(jié)構(gòu)組成及關(guān)鍵技術(shù)分析

無人機自主控制系統(tǒng)的能力需求、結(jié)構(gòu)組成及關(guān)鍵技術(shù)分析

得益于機械、材料、控制、通信、光學、軟件、算法等相關(guān)技術(shù)的進步，近年來，無人機系統(tǒng)的能力和關(guān)鍵技術(shù)成熟度得以不斷提升。且在技術(shù)推動和市場拉動的雙重作用下，無人機系統(tǒng)正逐步進入一種良性循環(huán)的迭代發(fā)展模式：一方面，無人機系統(tǒng)在各種傳統(tǒng)的經(jīng)典任務場景中表現(xiàn)得越來越熟練和出色，逐漸實現(xiàn)了“能飛到能用”的跨越;另一方面，無人機系統(tǒng)能力的提升拓展了其應用領(lǐng)域，在原有需求之外不斷涌現(xiàn)出更多新的和潛在的應用場景，且來自新需求的牽引反過來促進了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。在上述發(fā)展過程中，面向自主性/自主能力要求的自主控制系統(tǒng)作為無人機最為重要的子系統(tǒng)之一，其研究和應用無疑是無人機系統(tǒng)不斷成熟和走向?qū)嶋H應用的重要推動力量，對其理解和認識也在不斷深化與完善。完全意義上的自主控制是無人機未來發(fā)展的必然方向和典型特征，其首要目標是支撐無人機實現(xiàn)自主飛行和自主完成特定任務的能力。而且，近年來人工智能技術(shù)的發(fā)展與進步也為自主控制系統(tǒng)智能化的“認知”和“決策”能力實現(xiàn)提供了新的思路和動力。1對自主控制系統(tǒng)的認識一般而言，用于實現(xiàn)自主性或自主能力的控制過程都可以稱為自主控制，自主控制本質(zhì)上屬于智能控制范疇，系統(tǒng)自主性的強弱取決于智能水平的高低。作為自主性實現(xiàn)的重要手段，智能控制學科在基礎(chǔ)理論方面取得了長足的進步，其應用領(lǐng)域不斷拓展。但時至今日，客觀地說，智能控制仍然不成熟，這在很大程度上歸因于關(guān)于“智能”的研究本身，智能科學這一充滿挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域至今尚未取得根本性突破，仍有大量的關(guān)鍵問題需要探索和研究。無人系統(tǒng)是智能控制技術(shù)最為重要的應用載體和研究方向，隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，以無人機為代表的無人系統(tǒng)自20世紀90年代起出現(xiàn)了爆炸式的發(fā)展。無人系統(tǒng)與生俱來固有的自主性需求，結(jié)合智能控制等先進控制技術(shù)發(fā)展，催生了自主控制相關(guān)概念的出現(xiàn)。自那時起，關(guān)于無人系統(tǒng)自主控制的研究在英美等發(fā)達國家開始逐漸得到重視，自主控制系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)也成為無人系統(tǒng)自主性實現(xiàn)最為重要的支撐。進入21世紀，國內(nèi)也針對自主控制技術(shù)展開了持續(xù)的廣泛深入討論和研究，并在工程實際中開展了無人機平臺自主控制相關(guān)技術(shù)的飛行演示驗證工作。關(guān)于無人機智能化與自主控制，國內(nèi)行業(yè)內(nèi)的多位院士對此都有重要的相關(guān)論述。吳宏鑫院士曾明確指出：“自主運行是目的，而智能控制與其他各種控制方法是實現(xiàn)自主運行的手段?！狈羁菏恳苍赋?，對于先進無人機需要實現(xiàn)3個層面的智能化：“單機飛行智能化、多機協(xié)同智能化和任務自主智能化”。包為民院士曾指出：“無人系統(tǒng)智能自主控制是無人系統(tǒng)平臺、人工智能和智能控制的深度融合，其控制理論和技術(shù)具有前沿性、基礎(chǔ)性和綜合性，是支撐無人系統(tǒng)未來發(fā)展的核心領(lǐng)域之一?！壁w煦院士也明確指出：“要進一步突破無人機自主控制技術(shù)，就必須提高無人機系統(tǒng)的智能化水平。無人機自主控制的智能化主要體現(xiàn)在3個方面，即飛行的智能、決策的智能和集群的智能。無人機飛行的智能化是實現(xiàn)無人機決策智能和集群智能的基礎(chǔ)，集群協(xié)同的智能化是實現(xiàn)無人機全自主這一終極目標的重要途徑。”可見，無人機系統(tǒng)期望具有的是“基于自主的智能”，即智能化本質(zhì)上是為了更好地實現(xiàn)面向任務的自主化，主要技術(shù)手段則是自主控制。無人機自主控制可以理解為非結(jié)構(gòu)化環(huán)境、非預設(shè)態(tài)勢、非程序化任務等各種不確定條件下的“高度”自動控制，其最為主要的特性是：在無人干預的情況下，面對不確定性，實時或近實時地解決復雜的優(yōu)化控制問題。換言之，無人機自主控制意味著在沒有人工/外部干預的條件下，無人機能夠通過在線環(huán)境/態(tài)勢的感知和信息處理，自主生成優(yōu)化的控制與管理策略，規(guī)避各種障礙和威脅，完成各種特定任務，并具有快速且有效的動態(tài)任務適應能力。無人機自主控制所面臨的挑戰(zhàn)主要來自運行環(huán)境、任務及無人機系統(tǒng)自身的復雜性、不確定性和動態(tài)性。對于無人機自主控制系統(tǒng)，迄今尚未有一個明確的定義，而且自主控制系統(tǒng)的內(nèi)涵和認識也隨著應用場合、技術(shù)發(fā)展和時間的推移有所不同。但是從功能分解與系統(tǒng)實現(xiàn)的角度出發(fā)，通常認為無人機自主控制系統(tǒng)一般由無人機任務管理系統(tǒng)、飛行管理系統(tǒng)、控制執(zhí)行系統(tǒng)和感知與通信系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成，基于信息實施無人機的決策、管理與控制功能，在動態(tài)和不確定環(huán)境下完成復雜任務。不同無人機自主控制系統(tǒng)的功能配置和任務應用配置使得無人機具有不同的自主控制能力，來適應不同的自主性要求，完成不同的任務。其主要功能是將系統(tǒng)的感知、規(guī)劃、決策和行動等各模塊有機地結(jié)合起來。它的作用包括：把各個子系統(tǒng)連接成一個整體，包括各個部件的接口規(guī)范、通信協(xié)議和數(shù)據(jù)流程;統(tǒng)一管理、調(diào)度各個子系統(tǒng)，控制它們功能的發(fā)揮，按總體工作模型進行協(xié)調(diào)工作，使各子系統(tǒng)步調(diào)一致地完成總體任務;提供面向不確定性的智能化處理機制，在授權(quán)范圍內(nèi)且無外界人工干預的情況下，實現(xiàn)自主的決策、管理與控制。2無人機自主控制系統(tǒng)能力需求對于無人機系統(tǒng)而言，由于面向不同用戶的不同平臺、不同任務場景等對自主性的要求不同，所以其自主控制系統(tǒng)實現(xiàn)的需求也不盡相同。但是仍然可以從宏觀的角度出發(fā)，研究和分析無人機自主控制系統(tǒng)的能力需求，從而為技術(shù)研究提供重要的參考和借鑒，指導工程實踐中無人機自主控制系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計。截至目前，國內(nèi)已有很多專家和學者針對無人機自主控制系統(tǒng)所應具備的能力開展了深入的研究，并形成了若干較為完善的觀點。北京航空航天大學王英勛研究員認為自主無人機應具備4種基本的能力：安全能力、感知能力、決策能力和協(xié)同能力;國防科技大學朱華勇教授［15］認為未來無人機系統(tǒng)自主控制的技術(shù)需求主要體現(xiàn)在以下4個方面的能力實現(xiàn)：全面的環(huán)境感知與智能戰(zhàn)場態(tài)勢認知能力，復雜條件下的自主導航、規(guī)劃與控制能力，人機智能融合與學習適應能力，以及多平臺分布式協(xié)同能力;航空工業(yè)沈陽所范彥銘研究員基于無人機自主行為方式，認為系統(tǒng)必須具有3種主要能力：獨立自主信息獲取能力、獨立自主信息處理與決策能力、獨立行為執(zhí)行能力。北京航天自動控制研究所馬衛(wèi)華研究員、柳嘉潤研究員等認為航天智能控制系統(tǒng)的能力特征可歸納為5個方面：感知與理解能力、運動與控制能力、學習與適應能力、規(guī)劃與決策能力、溝通與協(xié)同能力。針對智能控制系統(tǒng)，吳宏鑫院士則明確指出其應具備以下若干方面的能力：感知和認知的能力、在線規(guī)劃和學習的能力、推理決策的能力、多執(zhí)行機構(gòu)協(xié)調(diào)操控的能力。對上述各種觀點進行歸納總結(jié)，不難發(fā)現(xiàn)，無人機自主控制系統(tǒng)的能力需求和無人機自主性的體現(xiàn)是高度統(tǒng)一的，可從以下若干角度出發(fā)進行簡要分析。首先，倘若基于OODA循環(huán)實現(xiàn)，由于“機上無人”且“人在回路上”，所以對于無人機自主控制系統(tǒng)而言，則很自然地期望所有環(huán)節(jié)最好都能由無人機系統(tǒng)來自主完成，并形成控制閉環(huán)。這樣一來，為實現(xiàn)自主的OODA循環(huán)，必須具有相應的感知認知能力、評估判斷能力、規(guī)劃決策能力和控制執(zhí)行能力等。其次，考慮無人機在實際使用中，除了無人機自身外，其應用場景的主要元素一般還包括有自然環(huán)境、遂行任務、敵對力量、友方力量和操作/使用者等。無人機自主控制系統(tǒng)的實現(xiàn)必須綜合考慮上述各方面元素的影響，尤其是必須通過己方力量的交互、融合與協(xié)同實現(xiàn)面向飛行和任務的有效資源管理、調(diào)度與控制。因此除了上述OODA循環(huán)實現(xiàn)所必備的能力外，無人機自主控制系統(tǒng)還應具備相應的人機融合能力、多機協(xié)同能力等。此外，除自主控制功能實現(xiàn)應具備的基本能力外，還期望無人機自主控制系統(tǒng)具備一定的面向故障的容錯修復能力，以及更具智能化的學習進化能力。綜上所述，無人機自主控制系統(tǒng)的主要能力需求可以概括為8項，分別是：感知認知能力、評估判斷能力、規(guī)劃決策能力、控制執(zhí)行能力、人機融合能力、多機協(xié)同能力、故障容錯能力、學習進化能力。2.1感知認知能力感知是獲取外界信息的手段，認知是通過所感知事物形成知識/認識。感知認知能力是無人機自主控制系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎(chǔ)。尤其在復雜和不確定條件下，只有具備相應的感知認知能力，無人機才能獲取足夠且正確的飛行/任務環(huán)境信息、自身運動和系統(tǒng)狀態(tài)信息，以及操作指令和任務目標信息等，支撐自主控制系統(tǒng)所期望功能和性能的實現(xiàn)。感知認知的對象是各種來源的相關(guān)信息，所以，相應地，感知認知能力可以理解為針對信息的獲取、識別/甄別和基于信息的建模等相關(guān)能力。其中，感知能力側(cè)重于前端信息的收集和獲取，一方面解決信息“有無”的問題，另一方面還要從各種信息中分辨和提取出有用的信息，解決“好壞”的問題;認知能力則更加側(cè)重于后端信息的處理和理解。感知能力可認為是認知能力的基礎(chǔ)，與感知能力相比較，認知能力更復雜也更抽象，同時含有一定程度的主觀色彩，例如可以基于感知信息，建立關(guān)于環(huán)境/威脅/任務等具有一定偏好的認知模型等。2.2評估判斷能力無人機自主控制系統(tǒng)的評估判斷能力是感知認知能力的延伸，在基于感知認知獲取相應的信息并建立認知模型后，需要對敵我態(tài)勢/意圖、環(huán)境/敵方威脅、自我健康等做出有效評估和判斷。從數(shù)據(jù)融合的角度出發(fā)，評估判斷能力屬于高層次數(shù)據(jù)融合的范疇。顯然，評估判斷能力的強弱直接影響自主控制系統(tǒng)的運行，誤評和誤判可能會帶來災難性的后果。典型的評估判斷能力是態(tài)勢評估能力和威脅估計能力。其中，態(tài)勢評估是基于“敵方+我方+環(huán)境+任務”等多種信息，實現(xiàn)反映戰(zhàn)場/競爭/運行態(tài)勢的多層視圖融合;威脅估計需要綜合威脅主體、行為、能力、意圖、態(tài)勢、事件等多因素，做到“感知-理解-預測”，屬于更高層級的融合。2.3規(guī)劃決策能力規(guī)劃與決策能力也是自主控制系統(tǒng)智能化的重要體現(xiàn)。無人機要減少人的實時控制參與，增強自主控制能力，就必須在不確定的情況下自己做出規(guī)劃與決策，這一能力的強弱體現(xiàn)了“預先設(shè)定”和“隨機應變”的巨大區(qū)別。面向目標和任務的規(guī)劃與決策能力，其實現(xiàn)依賴于人的經(jīng)驗、智能控制方法和軟硬件的支持，實施的主要依據(jù)來源于數(shù)據(jù)鏈傳遞的信息、本源數(shù)據(jù)庫有關(guān)數(shù)據(jù)、感知認知獲取的相關(guān)信息及評估判斷的結(jié)果。在無人機自主控制系統(tǒng)中，典型的規(guī)劃決策能力體現(xiàn)包括軌跡規(guī)劃、任務規(guī)劃、戰(zhàn)術(shù)機動決策等。2.4控制執(zhí)行能力對無人機自主控制系統(tǒng)而言，控制執(zhí)行能力主要面向無人機機動飛行，是基于規(guī)劃與決策的結(jié)果改變自身位置和運動狀態(tài)的能力。其通常與被控對象緊耦合，不僅需要實現(xiàn)一定程度的快速性、敏捷性和機動性，而且對控制精度、穩(wěn)定性、魯棒性等屬性也有相應的要求?？刂茍?zhí)行能力的優(yōu)劣不僅取決于控制模態(tài)和控制算法的設(shè)計，也依賴于有效的傳感裝置與執(zhí)行機構(gòu)。例如，對于未來的無人作戰(zhàn)自主飛行器而言，為了兼顧機動性和隱身性等要求，可能會采用變體構(gòu)型等先進設(shè)計，所帶來的復雜性、非線性和不確定性對于系統(tǒng)的控制執(zhí)行能力是巨大的挑戰(zhàn)。2.5人機融合能力在無人機的實際使用中，離不開人的參與，且應始終貫徹“以人為中心”的原則。所以盡管絕大多數(shù)時間“人在回路上”，人機融合能力仍是自主控制系統(tǒng)所必不可少的。通過人機融合能力的實現(xiàn)，無人機和操作使用者之間、無人機和有人系統(tǒng)之間才能建立起溝通與協(xié)作的橋梁。人機融合能力可理解為智能系統(tǒng)技術(shù)與平臺控制技術(shù)的有機結(jié)合，其實現(xiàn)涉及人機接口、人機分工、人機協(xié)同等相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域。美國空軍也在《自主地平線》等重要報告中明確指出人機共生/共融是自主系統(tǒng)的未來重要發(fā)展方向。2.6多機協(xié)同能力面向日益復雜的任務和應用環(huán)境，無人機系統(tǒng)的使用模式已經(jīng)逐步由單平臺發(fā)展為更靈活的多平臺（有人/無人、無人/無人）協(xié)同操作方式，因此，自主控制系統(tǒng)也必須根據(jù)實際任務需求建立相應的多機協(xié)同能力。具備多機協(xié)同能力的無人機系統(tǒng)，可以完成單一無人平臺所不能完成的一些復雜任務，例如協(xié)同感知、協(xié)同攻擊、協(xié)同干擾等。要實現(xiàn)這一能力，必須解決復雜性、分布性、異構(gòu)性等問題，這對與之相關(guān)的通信、信息處理、管理和調(diào)度提出了一系列的挑戰(zhàn)。2.7故障容錯能力容錯能力即自動/自主處理故障的能力，無人機自主控制系統(tǒng)應針對突發(fā)的系統(tǒng)故障、戰(zhàn)損等，具備一定程度的容錯甚至修復能力，從而能自主處理飛行中的故障，為任務的執(zhí)行提供有效的保障。要想具備故障容錯能力，在無人機自主控制系統(tǒng)中必須建立故障/錯誤的實時檢測、隔離、恢復和預測等相應功能，主要通過主動容錯和被動容錯相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)。例如，常見的容錯手段包括故障檢測/診斷/隔離、系統(tǒng)冗余/備份、自修復/重構(gòu)控制、系統(tǒng)降級處理等。2.8學習進化能力學習進化能力是自主控制系統(tǒng)高度智能化的重要體現(xiàn)之一，是指可通過自主的學習、修正和不斷進化，提高系統(tǒng)相關(guān)性能的能力。其中，學習是指對已有經(jīng)驗和信息進行處理、加工和提煉，形成自身所掌握的知識;進化則是指自身知識的不斷迭代優(yōu)化和提升。隨著人工智能和機器學習技術(shù)的進步，無人機自主控制系統(tǒng)有望逐步具備一定程度的學習和進化能力，尤其是面向某些特定的任務場景，如自主空戰(zhàn)決策等領(lǐng)域，數(shù)年前美國的ALPHA自主空戰(zhàn)模擬系統(tǒng)就已展現(xiàn)出非常強大的相關(guān)能力。學習和進化能力的工程化實現(xiàn)為期不遠，非常值得期待。需要強調(diào)的是，無人機自主控制系統(tǒng)的上述8項能力需求并不是彼此獨立的，而是相互滲透、相互作用和相互促進的關(guān)系，應該在系統(tǒng)的研究、設(shè)計和實現(xiàn)過程中予以統(tǒng)一考慮。所提及的前4項能力依次遞進，前者是后者的基礎(chǔ)，后者是前者的目的;在前4項能力的基礎(chǔ)上，才能實現(xiàn)面向任務的人機融合能力和多機協(xié)同能力;故障容錯能力和學習進化能力的具備則可以更進一步提升前6項能力。只有上述多方面能力的協(xié)調(diào)發(fā)展，才能達成并促進自主控制系統(tǒng)的實現(xiàn)和進步。3無人機自主控制系統(tǒng)功能組成無人機的自主控制系統(tǒng)是一個大型、復雜且面向不確定性的系統(tǒng)，它由多個子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)之間既有聯(lián)系也相互獨立，因此盡可能模塊化設(shè)計并獨立控制，防止一個子系統(tǒng)的故障影響其他子系統(tǒng)，然而它又是一個整體，應保持各子系統(tǒng)之間的統(tǒng)一管理與操作，其設(shè)計的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)整體性能的發(fā)揮和智能水平的高低。自主控制系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)無人機的飛行控制與管理，它是無人機機載系統(tǒng)中的飛行和安全關(guān)鍵系統(tǒng)。參考有人駕駛第四代戰(zhàn)斗機的綜合飛行器管理系統(tǒng)相關(guān)概念和定義，一般可認為無人機自主控制系統(tǒng)在物理結(jié)構(gòu)上由任務管理系統(tǒng)（MissionManagementSystem，MMS）和飛行器管理系統(tǒng)（VehicleManagenentSystem，VMS）兩大主要部分組成。顧名思義，MMS主要面向任務的執(zhí)行管理，而VMS主要面向飛行功能的實現(xiàn)和保障。為便于理解，可將MMS和VMS對應到智能控制系統(tǒng)的功能分層遞階結(jié)構(gòu)中，其中，MMS處于頂層，VMS位于底層。在功能劃分上，VMS主要承擔協(xié)調(diào)層和執(zhí)行層的相關(guān)功能，而MMS主要實現(xiàn)組織和決策層的作用。因此，基于上述組成和結(jié)構(gòu)，無人機自主控制系統(tǒng)通常需要實現(xiàn)以下主要功能。3.1任務管理任務管理的實現(xiàn)是基于任務目標，依托機載MMS達成可變自主權(quán)限的任務決策和管理，主要包括以下功能模塊：可變自主權(quán)限的判斷（由任務控制站授權(quán)）;任務排序、分配;本機任務規(guī)劃和實時重規(guī)劃;任務解釋;任務流程和任務執(zhí)行管理;系統(tǒng)監(jiān)視和異常處理;任務載荷管理與控制;敵我識別與目標定位;機站通信等。3.2飛行管理飛行管理功能歸屬于智能控制系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)中的協(xié)調(diào)層，主要作用是管理和導引無人機以最優(yōu)的方式自動化地實現(xiàn)飛行計劃，同時也可直接接受指令導引。飛行管理的主要功能包括：導航解算（包括綜合導航、相對導航）;飛行階段管理;飛行性能管理;航線管理（含航跡規(guī)劃與重規(guī)劃）;機動軌跡生成;制導（含四維制導、加油制導、編隊制導、艦載起降制導等）;編隊協(xié)同等。3.3控制與執(zhí)行控制與執(zhí)行主要是指傳統(tǒng)意義上的飛行控制與綜合控制功能，根據(jù)飛行管理生成和航跡指令對無人機和動力進行協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)無人機平臺的速度控制和姿態(tài)控制，從而確保實現(xiàn)高精度的航跡跟蹤，達成任務所需的平臺飛行狀態(tài)。其主要功能包括：控制模態(tài)選擇;廣義操縱面控制（含氣動、矢量、進氣道、滑行糾偏裝置等）;發(fā)動機全權(quán)限數(shù)字控制;綜合飛/火/推控制;邊界保護和極限狀態(tài)抑制;自修復重構(gòu)控制等。3.4平臺設(shè)備管理平臺設(shè)備管理主要完成無人機上與任務管理、飛行管理和飛行控制直接相關(guān)的傳感器及任務設(shè)備（如導航、大氣數(shù)據(jù)、雷達、鏈路等）的工作狀態(tài)故障監(jiān)控、控制與管理等工作。其主要功能包括：運動學/動力學傳感器管理;伺服系統(tǒng)管理;通信鏈路管理;能源管理（含輔助動力、燃油、電氣、液壓等）;起落架/剎車系統(tǒng)管理等。3.5系統(tǒng)健康管理健康管理主要用來監(jiān)控、預測機載傳感器、執(zhí)行機構(gòu)、發(fā)動機和機體等，實現(xiàn)其健康狀態(tài)和故障的診斷、緩解、修復和檢驗，并將結(jié)果進行記錄和發(fā)送報告，其主要功能包括：BIT;余度管理;故障檢測、診斷、隔離和預測;數(shù)據(jù)記錄與發(fā)送等。4無人機自主控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與有人駕駛飛機飛行控制系統(tǒng)相比，先進無人機的自主控制系統(tǒng)無疑要復雜得多。從當前技術(shù)水平和發(fā)展現(xiàn)狀來看，無人機控制系統(tǒng)的“自動化”已經(jīng)解決了飛行自動控制的問題，但是還遠未解決智能自主控制的問題。對于其關(guān)鍵技術(shù)，國內(nèi)外相關(guān)研究和綜述不少，可重點參考美國國防部在2012年發(fā)布的經(jīng)典文件《TheRoleofAutonomyinDoDSystems》，其總結(jié)了無人系統(tǒng)自主性相關(guān)的六大核心技術(shù)，分別是感知、規(guī)劃、學習、人機交互、自然語言理解和多智能體協(xié)同，并基于認知層次視圖給出了技術(shù)現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)，至今對自主控制關(guān)鍵技術(shù)的分析和提煉仍具有很強的指導意義。基于已有研究和實踐不難發(fā)現(xiàn)，自主控制尚未解決的核心問題絕大多數(shù)集中于決策層、組織層和協(xié)調(diào)層。因此，面向?qū)嶋H飛行和任務場景，結(jié)合能力需求，自主控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)可以歸納如下。需要說明的是，以下所述各關(guān)鍵技術(shù)并不是相互獨立的，它們之間存在密切的聯(lián)系，甚至在局部有所交叉和融合，在研究、應用和實踐中應整體予以考慮。4.1自主控制系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計技術(shù)無人機自主控制系統(tǒng)體系架構(gòu)的主要任務是把各個子系統(tǒng)連接成一個整體，統(tǒng)一管理調(diào)度各個子系統(tǒng)，使各子系統(tǒng)步調(diào)一致地完成總體任務，其設(shè)計的優(yōu)劣直接關(guān)系到無人機系統(tǒng)整體性能的發(fā)揮和智能水平的高低。自主控制技術(shù)的作用對象和應用場景較以往自動控制系統(tǒng)更為復雜和動態(tài)，從效能的角度出發(fā)，未來無人機的工作方式將涵蓋單機行動和多機協(xié)同的模式。在設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)時應對諸多要素進行綜合考慮，其中包括將整個機群的使命分解為每架無人機的具體目標、在線任務計劃、在線優(yōu)化編隊的任務航線、軌跡的規(guī)劃和跟蹤、編隊中不同無人機間相互的協(xié)調(diào)、在兼顧環(huán)境不確定性及自身故障和損傷的情況下實現(xiàn)重構(gòu)控制和故障管理等。因此需要設(shè)計合理的系統(tǒng)架構(gòu)，妥善解決軟、硬件功能劃分和系統(tǒng)內(nèi)各要素的協(xié)調(diào)問題，確保復雜系統(tǒng)的靈活、開放、可配置。針對這樣的要求，當前廣泛接受的解決方案是采用分層遞階式的設(shè)計模式，將系統(tǒng)分為任務、決策、執(zhí)行等多個功能層次實現(xiàn)，以便保證任務和決策等高層功能的設(shè)計與底層控制執(zhí)行等限制解耦。在保證層間輸入輸出關(guān)系固定的基礎(chǔ)上，每層功能設(shè)計可以采用靈活的形式。無人機自主控制系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計中，可以選擇集中式或分布式的通信/決策邏輯，并利用通用總線來連接各個子系統(tǒng)。4.2（多源）信息采集、處理與融合技術(shù)正確可靠、及時有效的信息是自主控制系統(tǒng)進行規(guī)劃、決策、管理和控制的前提。多源不確定信息的采集、處理與融合技術(shù)不僅直接支撐無人機感知能力的實現(xiàn)，也是其他各種能力實現(xiàn)的基礎(chǔ)，在信息復雜、高度對抗、任務多變的使用環(huán)境中發(fā)揮著不可或缺的重要作用。通常情況下，多源信息采集、處理與融合過程可簡單描述為首先通過多種來源的傳感器或信息交互途徑獲得相關(guān)信息，然后依據(jù)某種準則對獲取的信息進行組合與處理，實現(xiàn)對所獲數(shù)據(jù)信息的結(jié)構(gòu)化表示，從而獲得平臺自身、環(huán)境、目標、態(tài)勢、威脅等相關(guān)的可用信息。所以對無人機自主控制系統(tǒng)實現(xiàn)而言，前端的多源信息采集、處理與融合技術(shù)嚴格來說是一個技術(shù)領(lǐng)域，范圍較廣，主要涉及以下相關(guān)子技術(shù)：先進傳感器實現(xiàn)技術(shù)（如時間/位移、導航/定位、探測/檢測等傳感器）;傳感器信號處理技術(shù)（校正、補償、降噪、時空同步等）;自主導航、定位與授時技術(shù)（含相對導航）;非結(jié)構(gòu)化未知環(huán)境感知與建模技術(shù);目標檢測、識別、跟蹤技術(shù);敵/我行為理解和意圖識別技術(shù);信息交互與共享技術(shù);態(tài)勢評估/威脅估計技術(shù)等。多源信息采集、處理與融合技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)主要來自信息的不確定性，即在復雜、對抗條件下獲取的信息可能是非結(jié)構(gòu)的、不完整的、含有噪聲的、非同步的、不可預見的，甚至是欺騙的。此外，所獲取信息的數(shù)據(jù)形式往往也呈現(xiàn)出高維、海量、動態(tài)等特征，對無人機機載條件下采集、處理與融合技術(shù)的實時性也提出了很高的要求。4.3在線實時規(guī)劃與自主決策技術(shù)自主控制的重要特征之一就是可在不確定條件下求解復雜的規(guī)劃與決策問題，無人機自主控制系統(tǒng)的在線實時規(guī)劃與自主決策技術(shù)主要面向飛行管理和任務管理相關(guān)功能的實現(xiàn)。規(guī)劃本質(zhì)上是已有能力和目標代價之間的優(yōu)化折中，無人機自主控制系統(tǒng)中的規(guī)劃問題主要是指任務規(guī)劃，一般包括任務優(yōu)先級排序、多任務分配、航跡規(guī)劃、任務載荷規(guī)劃、通信拓撲規(guī)劃，以及針對系統(tǒng)保障和應急的預案規(guī)劃等。通常情況下，規(guī)劃可以分為離線的全局規(guī)劃，以及在線實時的重規(guī)劃。目前研究比較多的是航跡規(guī)劃技術(shù)和任務分配技術(shù)，均取得了一系列不錯的成果，并逐步走向工程應用。決策實際上是一個在可行方案中的選擇過程，需要基于所獲信息和已有知識，進行有效的推理、評估和預測，從而得到最終的結(jié)果。無人機自主控制系統(tǒng)中的決策主要指自主行為決策，如自主空戰(zhàn)中的戰(zhàn)術(shù)機動決策等。在線實時規(guī)劃和自主決策技術(shù)的挑戰(zhàn)一方面來自環(huán)境及任務的復雜性和不確定性，另一方面來自于系統(tǒng)應用規(guī)模擴大所帶來的復雜性。例如，在面向無人機協(xié)同或集群控制的分布式?jīng)Q策中，每個智能體在進行決策時，不僅需要考慮環(huán)境和智能體自身的模型，而且需要考慮其他智能體可能采取的策略，從而使問題具有高度復雜的策略空間，而且隨著個體數(shù)量和規(guī)劃問題規(guī)模的增加，其復雜性呈指數(shù)增長，很快變得難以求解。4.4高精度/魯棒/自適應/容錯控制與執(zhí)行技術(shù)高精度/魯棒/自適應/容錯控制與執(zhí)行技術(shù)屬于傳統(tǒng)飛行控制領(lǐng)域的范疇，主要應用于分層遞階結(jié)構(gòu)的執(zhí)行層。其中，高精度的指令跟蹤控制技術(shù)是無人機實現(xiàn)飛行和任務的必要保障，尤其是在一些特定的任務場景中，如著陸/著艦、空中加（受）油、編隊飛行、避障飛行等，控制精度對任務的執(zhí)行將起到?jīng)Q定性作用;魯棒控制技術(shù)主要針對被控對象中存在的不確定性（如結(jié)構(gòu)不確定性和參數(shù)不確定性等），用于保證系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性和魯棒性能;自適應控制技術(shù)則可以面向控制對象的大范圍動態(tài)變化，提供滿意的飛行品質(zhì)，傳統(tǒng)飛行控制中多采用線性控制方法加上增益調(diào)參策略予以解決，未來的主要研究和發(fā)展方向包括面向大包線飛行的非線性自適應控制技術(shù)、面向任務變化的任務自適應控制技術(shù)，以及面向變體飛行器的大可變構(gòu)型自適應控制技術(shù);容錯控制技術(shù)是系統(tǒng)容錯能力實現(xiàn)的基礎(chǔ)，容錯能力主要體現(xiàn)在故障的自主診斷能力和系統(tǒng)在線運行過程中針對故障的重構(gòu)能力，因此容錯控制技術(shù)的主要研究內(nèi)容包括故障檢測/診斷/隔離、自修復重構(gòu)控制等。此外，高可靠、高帶寬、高功重比的控制執(zhí)行機構(gòu)也是無人機自主控制系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵，需要針對相應的伺服作動技術(shù)展開深入研究，如電液伺服閥技術(shù)、直接驅(qū)動閥技術(shù)、液壓密封技術(shù)、電靜液伺服作動技術(shù)、機電伺服作動技術(shù)、作動器耐久性綜合評價與驗證技術(shù)等。4.5面向任務的自主協(xié)同控制技術(shù)協(xié)同是面向任務的高級智能活動，在任務復雜/艱巨，且執(zhí)行個體能力有限的情況下，可通過個體之間的協(xié)同與合作有效完成復雜任務。面向任務的自主協(xié)同控制是無人機高級自主能力的體現(xiàn)。無人機的自主協(xié)同控制技術(shù)主要解決多無人機以及人和無人機之間的協(xié)作行為控制，實現(xiàn)有人-無人平臺協(xié)同任務以及多無人平臺間的協(xié)同任務。其面臨的挑戰(zhàn)除了來自各種不確定性，同時還需要解決處理分布式協(xié)同決策、管理與控制的難題?，F(xiàn)階段，面向任務的自主協(xié)同控制相關(guān)研究主要集中兩個方向：有人-無人協(xié)同控制技術(shù)和編隊協(xié)同控制技術(shù)。在有人-無人協(xié)同控制技術(shù)方向上，主要問題首先是如何實現(xiàn)人-機系統(tǒng)的能力匹配，需要通過可變權(quán)限的自主控制，使得控制的權(quán)限在飛行員、輔助系統(tǒng)、自主系統(tǒng)之間動態(tài)轉(zhuǎn)移。同時需要解決人-機合作行為控制的問題，主要包括：人為干預/意圖的數(shù)學建模與推理判斷，合作行為控制器的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計及其多回路控制穩(wěn)定性分析等。在編隊協(xié)同控制技術(shù)研究方向上，主要的研究內(nèi)容包括隊形設(shè)計與保持、隊形動態(tài)調(diào)整與變換、編隊飛行控制、編隊重構(gòu)控制、編隊防撞/避障等。例如，在編隊飛行控制中，常見的實現(xiàn)方法包括：Leader-Follower方法、基于行為的方法、虛擬結(jié)構(gòu)法、一致性方法等。5無人機自主控制系統(tǒng)特征與發(fā)展趨勢無人機自主控制系統(tǒng)的發(fā)展途徑基本上是以傳統(tǒng)的制導、導航與控制（GNC）系統(tǒng)為基礎(chǔ)，借鑒已有的技術(shù)基礎(chǔ)和工程實踐經(jīng)驗，針對無人機任務和環(huán)境的復雜性、動態(tài)性和不確定性，并考慮相應的人機交互實現(xiàn)，在其各項功能上進行面向自主性要求的拓展。在這一螺旋迭代、漸進發(fā)展過程中，無人機自主控制系統(tǒng)呈現(xiàn)出以下較為典型的技術(shù)特征和趨勢。5.1控制對象向混合、動態(tài)的復雜大系統(tǒng)發(fā)展無人機自主控制系統(tǒng)不僅需要實現(xiàn)無人機平臺的自主飛行，而且需要結(jié)合所執(zhí)行的任務，面向各種不確定性，實現(xiàn)任務自適應自主飛行。更進一步，隨著參與飛行和任務無人機數(shù)量的增加，還需要實現(xiàn)多無人機協(xié)同任務自適應自主飛行。顯然，控制的要求已不再是單一的飛行控制，目標也隨著飛行和任務的不同變得多樣且可能互相制約。因此無人機自主控制系統(tǒng)無疑是一個多結(jié)構(gòu)、多尺度、多模式混合的復雜大系統(tǒng)，具有離散符號和連續(xù)動力學混雜的典型特征，而且除控制外，還涉及感知、信息交互、決策、管理等多方面內(nèi)容。早在30多年前，關(guān)肇直和許國志兩位先賢針對當時流行的大系統(tǒng)熱就明確地指出：“系統(tǒng)規(guī)模大不是問題的實質(zhì)，從理論上講規(guī)模大的線性系統(tǒng)與規(guī)模較小的線性系統(tǒng)并無本質(zhì)上的差異，問題在于非線性，而特別值得研究的是上層由運籌學決定而下層由動力學確定的復雜系統(tǒng)?！睙o人機自主控制系統(tǒng)作為一個典型的事件驅(qū)動與時間驅(qū)動的混合動態(tài)系統(tǒng)，正屬于上述復雜系統(tǒng)的范疇。5.2控制結(jié)構(gòu)向開放式層次化的控制系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)展無人機自主控制系統(tǒng)作為一種典型大規(guī)模復雜智能化系統(tǒng)，功能要素多、邏輯關(guān)系多、層次結(jié)構(gòu)復雜，同時系統(tǒng)對周期、成本、維護性、通用性、擴展性等都有較強的要求，所以其實現(xiàn)通常采用開放式層次化的控制系統(tǒng)架構(gòu)。自主控制系統(tǒng)的實現(xiàn)一般按照智能控制系統(tǒng)IPDI原則，建立系統(tǒng)的層次劃分架構(gòu)，且在各層次之間采用標準接口。這種開放式的系統(tǒng)架構(gòu)具有諸多優(yōu)點，不僅便于不同系統(tǒng)部件之間的互連、互通和互操作，而且便于硬件和軟件的移植和重用，也便于系統(tǒng)功能的增強和擴充。采用開放式層次化系統(tǒng)架構(gòu)，不僅可以提高系統(tǒng)的冗余和重構(gòu)能力，而且可以用最低的生命周期費用達到所要求的任務性能和保障性，并為系統(tǒng)功能的擴展和性能改進奠定基礎(chǔ)。此外，開放式系統(tǒng)架構(gòu)不僅涉及各種相關(guān)硬件，也涉及軟件。軟件開放系統(tǒng)、軟件可重復使用、軟件可變規(guī)模與硬件的開放性同樣重要，也是降低系統(tǒng)全壽命周期費用、縮短研制開發(fā)周期的重要措施。例如，近年來由美國海軍航空系統(tǒng)司令部發(fā)起，廣受關(guān)注的“未來機載能力環(huán)境”（FutureAirborneCapabilityEnvironment，F(xiàn)ACE）標準，就是一種典型的開放式軟件架構(gòu)策略，通過在已安裝好硬件的軍用航電平臺上建立軟件通用操作環(huán)境，使FACE組件應用在不同平臺上可被重新部署，從而實現(xiàn)跨平臺的可移植性和重用性。5.3控制功能實現(xiàn)向標準模塊化設(shè)計發(fā)展標準的模塊化設(shè)計是系統(tǒng)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡化和綜合化的基礎(chǔ)，也是實現(xiàn)系統(tǒng)可重構(gòu)的基礎(chǔ)。對于自主控制系統(tǒng)，一方面基于開放式系統(tǒng)架構(gòu)，另一方面結(jié)合面向功能實現(xiàn)的標準模塊化設(shè)計，實際上更多的是采用所謂“模塊化開放式系統(tǒng)架構(gòu)（ModularOpenSystemApproach，MOSA）”思想，可視為是綜合模塊化航電（IntegratedModularAvionics，IMA）設(shè)計思想的擴展和延伸，其實現(xiàn)準則主要包括：建立MOSA使能環(huán)境、采用模塊化設(shè)計、設(shè)計關(guān)鍵接口、使用開放式標準和驗證一致性。開放式系統(tǒng)中的標準化模塊能有效地將各子系統(tǒng)集成到更大的系統(tǒng)中，使需求和應用相適應，從而提升系統(tǒng)集成能力、縮短系統(tǒng)研發(fā)周期、節(jié)約系統(tǒng)維護成本，確保系統(tǒng)能夠與其他所有相關(guān)系統(tǒng)實現(xiàn)互操作。在無人機自主控制系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)中，根據(jù)MOSA思想，同時結(jié)合軟件使能控制（SoftwareEnabledControl，SEC）中的開放式控制平臺（OpenControlPlatform，OCP）技術(shù)，采用標準化的物理/邏輯接口，將系統(tǒng)的各種功能進行模塊化分解與積木式集成，在可擴展的框架下實現(xiàn)多個不同的可配置應用，從而更好地滿足系統(tǒng)開放性、可擴展、可配置、便于維護/升級等要求。此外，結(jié)合低成本可消耗的需求，近年來美軍大力推進的“馬賽克戰(zhàn)”也同樣是上述系統(tǒng)實現(xiàn)思想的延伸和發(fā)展。5.4控制算法設(shè)計向多變量、非線性方向發(fā)展與有人駕駛飛機相比，由于機上無人，無人機（尤其是現(xiàn)代先進無人機）的設(shè)計約束相對更少，從飛行包線、機動性、敏捷性等角度出發(fā)，無人機可挖掘的潛力比有人駕駛飛機要大得多，這種潛力的有效釋放很大程度上依賴于優(yōu)秀的控制算法和控制策略。此外，在有人駕駛飛機的飛行控制律設(shè)計過程中，出于安全性、繼承性等考慮，實際操作中往往趨于保守，使得多變量、非線性控制技術(shù)的工程化應用進展相對緩慢?，F(xiàn)代先進無人機作為一類典型的強非線性的多輸入多輸出系統(tǒng)，隨著任務和使命要求的不斷發(fā)展，其復雜程度和控制要求也在不斷提高，用于實現(xiàn)無人機飛行的控制算法設(shè)計也趨于復雜，呈現(xiàn)出多模態(tài)、多約束、多準則的典型特征。為了在整個飛行包線內(nèi)保證系統(tǒng)穩(wěn)定，且具有良好的動/靜態(tài)品質(zhì)，多變量、非線性控制技術(shù)有機會率先在無人機領(lǐng)域得到應用。而且近年來，國內(nèi)外通過各類小型無人機的相關(guān)試驗驗證與應用，關(guān)鍵技術(shù)的成熟度得到了很大提升，并在逐步走向工程化實用［47-52］。多變量、非線性控制技術(shù)在無人機領(lǐng)域的研究和應用主要有兩個方向，分別面向如何使用和如何評價的問題。前者更關(guān)注的是多變量、非線性控制技術(shù)如何有效用于無人機控制對象，后者［53］側(cè)重基于多變量、非線性的無人機飛行品質(zhì)評價體系建立與評價方法研究。5.5系統(tǒng)綜合向以控制為核心的一體化綜合發(fā)展由于系統(tǒng)自身及其應用的復雜性，在無人機自主控制系統(tǒng)的實現(xiàn)過程中，越來越多地需要以控制為核心，一體化地考慮所涉及的多方面相關(guān)領(lǐng)域，實現(xiàn)系統(tǒng)能力和性能的綜合提升，具體體現(xiàn)在以下典型方向。5.5.1導航、制導與控制一體化在綜合飛行器管理、航電系統(tǒng)綜合化等技術(shù)發(fā)展趨勢下，導航、制導與控制一體化是解決無人機系統(tǒng)面向功能、性能、可靠性等多約束優(yōu)化問題的一種低成本有效手段，已在微小飛行器、戰(zhàn)術(shù)導彈等小型無人飛行器上得到了廣泛應用。柴天佑院士［54］也曾明確指出，導航制導一體化控制系統(tǒng)是運載工具自動化系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。導航、制導與控制一體化系統(tǒng)一般通過采用通用的開放式系統(tǒng)架構(gòu)及模塊化計算機，從而實現(xiàn)計算處理能力共享，資源利用率高;同時可增強系統(tǒng)構(gòu)件、軟件的復用性，使系統(tǒng)易于升級和維護，且降低系統(tǒng)成本;此外，一體化的設(shè)計減小了系統(tǒng)的體積與質(zhì)量，為任務設(shè)備騰出更多的有效載荷。5.5.2面向先進布局的氣動、結(jié)構(gòu)、動力與控制一體化一方面，隨著主動控制技術(shù)的發(fā)展和隨控布局設(shè)計思想的應用，飛行器的設(shè)計理念已從被動走向主動，更多地將氣動、結(jié)構(gòu)和控制進行綜合一體化考慮。例如在飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計中，不再以增加結(jié)構(gòu)質(zhì)量為代價來提高結(jié)構(gòu)剛度，進而回避氣動彈性問題，而是可以通過在機翼上布置多個控制面，通過主動控制系統(tǒng)驅(qū)動其聯(lián)合偏轉(zhuǎn)，提高機翼控制氣流的能力，進而主動調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)氣動彈性效應，從而減輕