智能自主無人系統(tǒng)構想

近二三十年來，學術界和工業(yè)界對自主無人系統(tǒng)的研發(fā)投入了越來越多的人力和物力。簡單地說，自主無人載具系統(tǒng)是一種配備了必要的數據處理單元、精密的傳感器、環(huán)境感知系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、運動規(guī)劃系統(tǒng)、任務規(guī)劃和管理以及通信系統(tǒng)等的機器，是包含諸多領域，如人工智能（AI）等在內的先進技術之集大成。自主無人載具系統(tǒng)可以在沒有人為操控的情況下自主執(zhí)行和完成某些特定的任務。自主系統(tǒng)，如無人車（UGV）、無人機（UAV）、無人船（USV）和無人潛航器（UUV）（圖1），將在實際工業(yè)應用中，如搜巡與救援、安全與交通監(jiān)測、電力線和管道巡檢、建筑物和環(huán)境檢測、地理測繪、隧道檢測、電影制作、物流遞送和倉庫管理等，發(fā)揮重要的作用，自主無人系統(tǒng)已迅速發(fā)展成為新的經濟焦點。圖1.無人系統(tǒng)框架示意圖。Comm.：通信。近年來，自主無人系統(tǒng)的市場，原本主要包括一些為軍事目的而開發(fā)的技術，現在這些技術被廣泛地應用于解決工業(yè)和商業(yè)中的實際問題。先進的自主無人載體系統(tǒng)由于其低成本和低風險且靈活性強而獲得了可喜的成功，樂觀預計民用自主無人系統(tǒng)的市場定將更加廣闊，它將涉及人們日常生活中的方方面面。在可預見的未來，無人系統(tǒng)，包括地面、水面和空中無人系統(tǒng)，將越來越受青睞。這些無人系統(tǒng)可以被用來處理迄今為止屬于人類操作者范圍內的各種工作，無人系統(tǒng)還必須能夠在雜亂無章的環(huán)境條件下執(zhí)行各種任務。此外，現有的大多數無人系統(tǒng)都是為特定的任務和環(huán)境設計的，不容易擴展到不同的任務或動態(tài)環(huán)境。因此，智能自主無人系統(tǒng)的研究和開發(fā)目前仍然處于起步階段。圖2描述了構建一個智能自主無人系統(tǒng)所涉及的關鍵技術模塊。接下來，我們簡要地敘述每個模塊的功能，并介紹一些正在進行的和潛在的研究要素。圖2.智能自主無人系統(tǒng)的技術架構。HCI：人機交互（human-computerinteraction）；HMI：人機交互（human-machineinteraction）。

（1）硬件平臺和傳感器。其中包括一個機械硬件平臺和一組傳感器，用于感知周圍環(huán)境并收集測量和應用數據。除了傳統(tǒng)的硬件平臺，如用于飛行器、地面車輛、水面船只和水下潛航器等，人們對通過開發(fā)多模式多功能無人系統(tǒng)越來越感興趣，如水陸和陸空兩用混合載體，以及水空多用途等無人系統(tǒng)，這些無人系統(tǒng)可以在更復雜的環(huán)境中工作。無人系統(tǒng)的感知和數據收集傳感器組可能包括激光雷達（LiDAR）、視覺、聲納、普通雷達和其他傳感器的組合，以及精良的傳感器融合技術。（2）感知和定位。定位系統(tǒng)是確定無人系統(tǒng)相對于其所處環(huán)境中的具體位置，是無人系統(tǒng)自動控制和自主決策所需的最基本和最重要的組成部分之一。在一個典型的定位方案中，無人系統(tǒng)須配備觀察環(huán)境和測量自身運動的傳感器，定位技術是通過從傳感器組合收集到的信息來估計系統(tǒng)本身的位置和姿態(tài)。另外，在許多應用中，如在復雜環(huán)境中運行的無人載具，同時又得執(zhí)行目標檢測、環(huán)境表征、場景理解、活動識別和語義分類等任務，一個精良的感知單元是不可或缺的。（3）動態(tài)控制系統(tǒng)。不管是有人為干預還是無人操作，動態(tài)控制系統(tǒng)對于一個先進的無人系統(tǒng)都是必不可少的。盡管許多人嘗試在沒有動態(tài)模型的情況下設計自動控制系統(tǒng)，但筆者以為，要設計一個好的自動控制系統(tǒng)，設計者需要對硬件平臺的動態(tài)物理特性有一個清晰的認識，建立一個相對準確的數學模型。無人載具系統(tǒng)的動態(tài)控制系統(tǒng)可能涉及多個層次，如內環(huán)控制系統(tǒng)和外環(huán)控制器。一般來說，內環(huán)是用來鎮(zhèn)定硬件的姿態(tài)，而外環(huán)則是控制載具的位置和速度。在一些非常規(guī)的無人平臺上，可能需要使用更先進的控制算法來獲取良好的性能。一般來說，任何具備上述三種功能的物理系統(tǒng)都可以被稱為“無人系統(tǒng)”。預計水下潛航無人系統(tǒng)將會衍生更多的研究工作和課題，其中包括開發(fā)先進的水下潛航載具、水下圖像處理及水下同步定位和地圖構建技術（SLAM）。（4）運動規(guī)劃。運動規(guī)劃系統(tǒng)將所需的無人系統(tǒng)運動任務（由任務規(guī)劃模塊生成）分解成滿足運動約束的離散片段，如在雜亂環(huán)境中避障、環(huán)境空間的約束以及與無人載具自身速度和加速度相關的約束等，同時也可以考慮優(yōu)化運動過程的時間或能耗。運動規(guī)劃算法產生一個適合于無人載具執(zhí)行的參考軌跡，如位置、速度、加速度甚至加加速度等參考信號。避障和動態(tài)可行性是運動規(guī)劃中的兩個要素；其中涉及環(huán)境中障礙物誘發(fā)的幾何約束（路徑規(guī)劃）和無人載具系統(tǒng)的自身動態(tài)約束（軌跡生成）。（5）任務規(guī)劃。許多實際應用需要的不僅僅是將無人系統(tǒng)從一個地方挪到另一個地方，任務規(guī)劃是為了讓無人系統(tǒng)執(zhí)行更復雜的任務。任務規(guī)劃模塊將具體任務轉化為無人載具系統(tǒng)可執(zhí)行的離散運作；這些運作可能包含避障的粗略運動規(guī)劃、傳感器工作規(guī)劃以及具體任務的精細運動規(guī)劃。運動規(guī)劃側重于連續(xù)時域中無人系統(tǒng)的動態(tài)約束和環(huán)境的幾何約束，與運動規(guī)劃不同，任務規(guī)劃則在離散時域中使用高度抽象的模型，如規(guī)劃區(qū)域定義語言（PDDL），并側重于生成一個粗略的任務計劃。任務系統(tǒng)的動態(tài)通常為離散轉換系統(tǒng)，可以通過離散規(guī)劃技術來求解。一般來說，當無人系統(tǒng)集成了額外的任務和運動規(guī)劃模塊時，便可自主地執(zhí)行某些相對簡單的任務，我們可以稱其為“自主無人系統(tǒng)”（或簡稱為“自主系統(tǒng)”）。目前在運動規(guī)劃方面的研究重點是提高其導航過程的速度。人們還試圖整合任務規(guī)劃和運動規(guī)劃過程，以提高整個系統(tǒng)的功效。為了使其成為一個名副其實的“智能機器”，無人系統(tǒng)應進一步配備先進的人工智能能力，如具有特定領域知識的專家系統(tǒng)，以便自主決定和分配任務。在許多應用中，為了讓無人系統(tǒng)做出快速的決定和明智的判斷，允許人類操作員在回路中與無人系統(tǒng)互動的人機交互（HMI）系統(tǒng)將成為必要。為了將自主無人系統(tǒng)更智能地和更有效地融入現實世界，我們需對其周圍的環(huán)境有更清楚的了解，如使用環(huán)境的數學模型，以便為有效決策提供跨學科的分析。環(huán)境建模的主題涉及對物理世界在空間和時間上發(fā)生的過程的描述?？臻g相互作用和拓撲規(guī)則通常由地理信息系統(tǒng)（GIS）來描述。隨著時間的推移，改變環(huán)境的過程由微分方程組來描述，類似于物理系統(tǒng)的動態(tài)建模。擁有先進人工智能能力的自主無人系統(tǒng)就是所謂的“智能自主無人系統(tǒng)”（或簡稱“智能自主系統(tǒng)”）。如前所述，這個方向的研究還很不成熟。還有大量的工作要做，同時還要更充分地利用多智能體無人系統(tǒng)來解決實際問題。圖3描述了我們對多智能體自主無人系統(tǒng)合作的實用框架的理解，這些系統(tǒng)可以在動態(tài)控制或運動規(guī)劃層面相互協(xié)調，例如，通過編隊和協(xié)同控制（這些在過去10年左右被大量研究），或以更合理的方式在具體任務層面來協(xié)調異構無人系統(tǒng)。圖3.多智能體自主無人系統(tǒng)的合作。總之，筆者認為，自主無人系統(tǒng)的研究是一個永無止境的話題。鑒于人工智能和深度學習中用于數據處理的強大技術