智能無人機綜述

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1、IntelligentUAV清華大學自動化系張濤蘆維寧李一鵬張濤清華大學自動化系教授。博導。自動化系副主任。曾先后在德國慕尼黑工業(yè)大學、日本國立佐賀大學和日本國立信息學研究所學習和工作近8年。主要研究方向為控制理論、機器人學、微小衛(wèi)星工程、飛行器控制等。近10年來發(fā)表論文120余篇，其中SCI收錄20余篇。EI收錄70余篇，ISTP收錄30余篇。國際IEEE學會高級會員。國際IEICE學會會員。北京分會主席。擔任中國人工智能學會理事，中國自動化學會教育工作委員會秘書長。中國自動化學會空間及運動體控制專業(yè)委員會委員。中國人工智能學會生

2、物信息學及人工生命專業(yè)委員會秘書長。中國人工智能學會空天智能專業(yè)會委員，中國航空學會會員等。32航空制造技術(shù)·2013年第12期智能無人機是一個復雜的集成系統(tǒng)，需要飛行器設計、空間定位、路徑規(guī)劃、飛行控制、圖像識別等各方面技術(shù)的支持。為了充分利用這些技術(shù)，研究者們通常會將各個功能模塊化，通過合理的架構(gòu)設計將其整合，達到智能控制的最終目的。無人機(UnmannedAerialVehicle，UAV)是指不經(jīng)由駕駛員直接操作，可自主或通過遠程控制完成飛行行為及其他一些特定動作的空中機器人系統(tǒng)。無人機技術(shù)的關(guān)鍵問題就是如何設計合理的控制方

3、式代替飛機駕駛員在有人機系統(tǒng)中的位置。根據(jù)無人機不同的控制方式，可將無人機系統(tǒng)分成以下3類[1-q。(1)基站控制。基站控制式無人機也稱為遙控無人機(RemotelyPilotedVehicle．RPV)。在無人機飛行的過程中，需要地面基站的操作員持續(xù)不斷地向被控無人機發(fā)出操作指令。從本質(zhì)上來看，基站控制式無人機就是結(jié)構(gòu)復雜的無線電控制飛行器。由于無線電控制技術(shù)在空間上的局限性，現(xiàn)代無人機已經(jīng)很少采用純粹的基站控制方式來實現(xiàn)無人駕駛。(2)半自主控制。20世紀80、90年代出現(xiàn)的“Pointer”、“SkyOwl”無人機系統(tǒng)采用的是

4、基站導航和預先設定導航程序相結(jié)合的控制方式，這是無人機半自主控制的最早形式之一。半自主的無人機控制方式可以描述為“基站可隨時獲得無人機的控制權(quán)，并且在飛行過程中某些關(guān)鍵動作需由基站發(fā)出指令，如起飛、著陸等，除了這些關(guān)鍵動作，無人機可以按照事先的程序設定進行飛行和執(zhí)行相關(guān)動作”。一r弋——魚Qy星Bs工QBY．j!!j面盟(3)完全自主控制(智能控制)。(AutonomousControlLevel：ACL)的應的能力(自動控制)；完全自主控制無人機又稱為智能無人機，可以在不需要人工指令的幫助下完全自主地完成一個特定任務。一個完整的智

5、能無人機系統(tǒng)具備的能力包括自身狀態(tài)的監(jiān)控、環(huán)境信息的收集、數(shù)據(jù)的分析及做出相應的響應。為了進一步研究無人機的自主性，2000年美國提出了AO(AutonomousOperations，自主作戰(zhàn))概念。它是由美國海軍研究實驗室(NRL)和美國空軍研究實驗室(AFRL)的傳感器飛機項目組率先提出推廣的。對于未來的無人機，增強飛行器的信息處理能力是實現(xiàn)AO的關(guān)鍵。為了深入研究無人機的AO，AFRL又定義了自主控制等級10個等級【61，作為標準衡量無人機在自主程度方面的水平，如圖1所示。NASA飛行器系統(tǒng)計劃(VehicleSystemsP

6、rogram，VSP)高空長航時部(DepartmentofHighAltitudeLongEndurance，DHALE)在對以上劃分分析的基礎上，提出了評價高空長航時無人機自主性的量化方法。該方法劃分的層次和意義更加明確，并具有更好的實際可操作性，如表l所不。綜合國內(nèi)外的研究和分析，王英勛等‘”根據(jù)國內(nèi)無人機行業(yè)及學術(shù)研究的發(fā)展，提出一種自主控制的能力分級。卜完全結(jié)構(gòu)化的控制方案和策略，對自身和環(huán)境變化沒有做出反1——能夠適應對象和環(huán)境的不

7、

8、_咱時確定性，具有變參數(shù)、變結(jié)構(gòu)的能力；

9、

10、自EE’叫嘴嘴怎吾2——具有故障實時診斷、

11、隔離和根據(jù)故障情況進行系統(tǒng)重構(gòu)的能力；3——能夠根據(jù)變化的任務和態(tài)勢進行決策和任務重規(guī)劃的能力；4一具有與其他單體或系統(tǒng)進行交互、協(xié)同的能力；5——能夠自學習，具有集群自組織協(xié)調(diào)的能力。智能無人機研究現(xiàn)狀在2009年之前，無人機領(lǐng)域的研究成果還是以半自主的控制方式為主，并且在偵查、目標監(jiān)測、目標跟蹤、民用生產(chǎn)等方面，均取得了很有價值的研究成果18-121。此后，研究人員們逐漸將研究的重點轉(zhuǎn)移到對智能無人機的研究上來。智能無人機是一個復雜的集成系統(tǒng)，需要飛行器設計、空間定位、路徑規(guī)劃、飛行控制、圖像識別等各方面技術(shù)的支持。為了充分利用

12、這些技術(shù)，研究者們通常會將各個功能模塊化，通過合理的架構(gòu)設計將其整合，達到智能控制的最終目的。智能無人機的設計架構(gòu)可以用圖2ll3】來進行描述。1有地面站參與數(shù)據(jù)處理的自主控制在研究的初始階段，由于機載處理器性能的限制，研究人員選擇將