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浅析无人机的自主与智能控制
来源:尖兵之翼 | 作者:范彦铭 | 发布时间: 2022-06-06 | 10440 次浏览 | 分享到:
合理规划了自主智能控制的等级,提出了无人机自主智能 控制实现的工程方法与方案,构建了自主智能控制系统工程实现的架构……

无人机经过100年的发展,其演变与发展是全方位的,其内涵也发生了重大变化,无论执行的任务千变万化,但其最根本的变化还是其飞行控制方式的变 化,按照无人机飞行控制方式的变化,无人机经历了 下面几个发展阶段,并形成了相应种类的无人机:(1) 遥控飞行无人机(阶段);(2) 遥控加局域自动飞行无人机(阶段);(3) 全自动飞行无人机(阶段);(4) 全自动加局域自主飞行无人机(阶段);(5) 全自主飞行无人机阶段(下一阶段,即将来临)。

目前,国际上无人机的最高水平是全自动加局域自主飞行无人机,根据不同的任务需求以及人力和成本的情况,依据实际情况来选择无人机的种类,这几 类无人机可以并存,相互补充,充分发挥每一种无人 机的优势。

技术发展到现阶段,从狭义上定义,无人机的飞 行可与人没有直接关系,即: 人与无人机二者存在隔离的状态;从广义上讲,由于无人机作为一类可飞行的工具或武器,人要使用它,就必须明确“人机权限”问题:人是无人机的主人(主宰),无人机的行为要听从人的管控,但人的自身能力、精力以及精确控制飞机能力的限制,不可能分分秒秒或时时刻刻管控无人 机,因此无人机必须要有独立自主(自动)工作的能力。 

从上面的分析中可知,遥控飞行无人机(remotely piloted vehicle)与“真”无人机(unmanned aerial vehicle) 其内涵和本质是有区别的。遥控飞行的无人机的构架原理图见图2,“真”无人机的构架原理图见图3。从图2和3可直观看到二者的不同,遥控飞行无人机是在人直接控制下工作的,即人在其工作环中;而无 人机是在人授权下工作的,人在其工作环之外,而不是在工作环之中,这一本质上的差别就导致了二者在设计中系统结构、控制功能和实现方法的不同。 

无论怎样给无人机下定义, 有自我独立工作能力应是其本质属性, 但不变的原则是: 无人机由人使用,人是无人机的“主人”,无人机必须听从人的管控,无人机自我独立工作权限自然是由人随时进行设置的,显而易见,为实现无人机的功用,无人机的结构与能力是在“制造”它时构造的。因此,标准的无人机应有3 个工作模态:自主(自动)模态、人工干预模态和人工 操纵模态。这3种模态的使用是由人(操作员)设置与选择的。人(操作员)选择模态也应综合考虑实际环境的 复杂情况, 可遵循“将在外, 君命有所不受”的原则进 行模态选择. 上面的3个工作模式的定义与含义如下: (1) 自主 (自动)模态是无人机系统的默认模式,此模式按照人制定的规则、理念、思路进行工作,管控无人机的飞 行;(2) 人工干预模态是在自主(自动)模态下,人主动 纠正自主(自动)飞行的偏差,是在默认控制基础上增 加一△增量;(3) 人工操纵模态是在控制系统出现故障而无法自主(自动)控制无人机应急条件下,由人直接操纵飞机。一般情况下,人工操纵难以保证飞机的控制效果,其原因很简单:人不在飞行现场,难以准确感知飞机的运动信息,因而也就难以准确控制飞机,无人机采用上述3个工作模态事实上也明确了“人 机权限”问题,人作为无人机的“主人”,人通过制定规则和策略管控无人机,无人机按规则和策略自主(自动)生成控制指令控制飞机的飞行;飞行中出现与人的设想不一致结果时,人可进行适度的修正;飞行出现应急情况时,人可直接操控飞机,这是“孤注一掷”的行为。

由于无人机在整个使用过程中,不同的飞行阶段有不同的使命和任务,因此,三种工作模态在不同的飞行阶段执行不同任务命令,基于此原因,在构造无人机系统工作逻辑结构时,应采用“因地制宜”的原则进行飞行阶段与3种工作模态的逻辑构造,即:先确认阶段,然后再选择工作模态。采用上述模态也是涉及到无人机操控人员的日常培训理念问题,按上面模态的设置,无人机日常的训练方式应该是:以模拟器虚拟训练为主,重点在任 务方面的训练,飞行特情训练为辅,再辅以少量的实 物飞行训练的方式。

需要强调的是:既然无人机能够自主(自动)飞行,就涉及到如何自主(自动)飞行?飞行的好与坏?即自主(自动)飞行的能力和水平,也就是其智能的高低,这 就出现了自主与智能的内涵与相互关系问题。

3、自主/智能的本质内涵及其相互关系

自主/智能的本质内涵及其相互关系准则是无人 机设计的基本原则。

从一般意义上讲,自主与智能是两个不同范畴的概念,自主表达的是行为方式,由自身决策完成某行为则称为“自主”;智能则是完成行为过程的能力[3],也就是运用的方式方法以及策略是否符合自然规律或符合人(或某团体)的行为规则,在千变万化的环境中找到合理的“路径”完成某项任务,则称为是智能的。显 而易见,智能是分层次和等级的[3]。

自主与智能二者之间的关系应该是:自主在前,智能在后,二者应该相辅相成;自主未必智能,但自主希望有智能;智能依赖自主,智能的等级取决于自主权的高低,智能是自主与知识及其知识运用的结合体,智能生成的一般过程应该是:在自主的前提下, 综合运用权限范围、主动性、爱好痴迷精神、感悟力… 等各方面能力,去感受信息、提取信息、积累知识、 总结知识、归纳特征并精化、提升完善知识结构、融会贯通知识以尽可能达到符合自然规律的目的。