無人機(jī)自主智能控制的關(guān)系及其實(shí)現(xiàn)的工程方法與方案

分析研究了無人機(jī)的本質(zhì)與內(nèi)涵，系統(tǒng)闡述了無人機(jī)自主與智能控制的內(nèi)涵與本質(zhì)以及二者的關(guān)系，提出了無人機(jī)自主控制的設(shè)計(jì)理念和工程實(shí)施要素，合理規(guī)劃了自主智能控制的等級(jí)，提出了無人機(jī)自主智能控制實(shí)現(xiàn)的工程方法與方案，構(gòu)建了自主智能控制系統(tǒng)工程實(shí)現(xiàn)的架構(gòu)。

1 引言

從古老的傳說或寓言故事中可知，人類自誕生起，就夢(mèng)想著能夠像鳥一樣飛行，人類通過一代一代幻想、努力、前赴后繼地探索如何能夠自由地在天空中飛翔，人類嘗試了多種方法，如: 使用風(fēng)箏、早期的火箭、飛車、熱氣球以及滑翔機(jī)，但都沒能實(shí)現(xiàn)自由飛行。

到了1903年，萊特兄弟用自己設(shè)計(jì)的“飛行機(jī)器—飛機(jī)”完成了人類第一次動(dòng)力載人飛行，實(shí)現(xiàn)了人類在空中飛行的夢(mèng)想。在人類夢(mèng)想在天空中飛翔的同時(shí)，人們也開始設(shè)想人不在飛機(jī)上，在地面上控制 飛機(jī)的飛行，這就產(chǎn)生了無人機(jī)的概念，1916年美國(guó)的斯佩里(Sperry)和勞倫斯(Lawrence)進(jìn)行了首次無人機(jī)飛行，自此開啟了人類對(duì)無人機(jī)的研究先河， 經(jīng)過第一次世界和第二次世界大戰(zhàn),特別是經(jīng)過冷戰(zhàn)時(shí)期，無人機(jī)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展；無人機(jī)經(jīng)過100年的發(fā)展，形成了龐大的家族體系，分支眾多，可以從機(jī)身結(jié)構(gòu)、體積重量、飛行高度、航程、航時(shí)、用途等多個(gè)維度對(duì)其進(jìn)行分類，如從機(jī)身結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分類, 可分為無人直升機(jī)、無人固定翼飛機(jī)、無人多旋翼飛行器、無人飛艇、無人傘翼機(jī)和撲翼無人機(jī)等；從體積重量特性來分類，可分為大型無人機(jī)、中型無人機(jī)、小型無人機(jī)和微型無人機(jī)；按用途可分為軍用無人機(jī)(情報(bào)、偵察、監(jiān)視、誘餌、電子對(duì)抗、通信中繼、靶機(jī)和無人戰(zhàn)斗機(jī)等)、民用無人機(jī)(如警用、消防、氣象)和消費(fèi)級(jí)無人機(jī)(航拍、游戲等休閑用途)；還可分為高空無人機(jī)、長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)、遠(yuǎn)程無人機(jī)、高空長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)等。

世界上任何事物的發(fā)展都是與時(shí)俱進(jìn)的，其實(shí)質(zhì)內(nèi)涵與外表特征都在不斷地演變進(jìn)化，無人機(jī)也是如此，對(duì)無人機(jī)的定義與內(nèi)涵也需不斷地動(dòng)態(tài)完善，無 人機(jī)從簡(jiǎn)單的人遙控飛機(jī)飛行時(shí)代發(fā)展到現(xiàn)在的無人機(jī)自動(dòng)(自主)飛行階段，也應(yīng)適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展和人們認(rèn)識(shí)的提高而有較明確的定義，否則對(duì)無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展不利，甚至阻礙無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展。本文就無人機(jī)的發(fā)展變遷進(jìn)行了研究分析，歸納 了無人機(jī)的內(nèi)涵和定義及其發(fā)展，闡述了無人機(jī)控制的內(nèi)涵，探討了自主與智能二者之間的相互關(guān)系，給出了自主智能控制設(shè)計(jì)理念和工程要素，提出了無人機(jī)自主智能控制實(shí)現(xiàn)方法與方案。

2 無人機(jī)的定義與內(nèi)涵

1916年9月12日, 美國(guó)的斯佩里(Sperry)和勞倫斯 (Lawrence)的“休伊特-斯佩里自動(dòng)飛機(jī)(Hewitt-Sperry AutomaticAirplane)”完成人類第一次有動(dòng)力無人飛行，人類便開啟了無人機(jī)研究的新紀(jì)元，人們?cè)谧畛醵x無人機(jī)時(shí)，采用的是最直觀的物理概念，只考慮了飛行員與飛機(jī)的物理位置關(guān)系，即：飛機(jī)上沒有飛行員的飛機(jī)則稱為無人機(jī)，起初在英語中用pilotlessaircraft表達(dá)，這也是無人機(jī)最基本的內(nèi)涵。

隨著無線電遙控技術(shù)的發(fā)展，航空工程師使用了無線電在地面遙控?zé)o人機(jī)的飛行，這就出現(xiàn)了遙控飛行器(Remotely Piloted Aerial Vehicle, RPAV)和遙控飛 行系統(tǒng)(Remotely Piloted Aircraft System, RPAS)術(shù)語，在此期間也有人使用UninhabitedAerialVehicle作為無人機(jī)的名稱術(shù)語。

Unmanned Aircraft System (UAS)在《無人機(jī)路 線圖2005~2030》被美國(guó)國(guó)防部和FAA所采用[1]，并給出了定義：指不載有操作人員、利用空氣動(dòng)力提供升力、可以自主飛行或遙控駕駛、可以一次使用也可回收使用、攜帶致命或非致命有效載荷的有動(dòng)力飛行器。此定義明確了無人機(jī)的最基本內(nèi)涵：1) 飛機(jī)上無駕駛?cè)藛T；2) 能完成一定的使命任務(wù)；3) 能夠重復(fù)使用。

依據(jù)上面的定義，彈道或半彈道飛行器、巡航導(dǎo)彈和炮彈不能看作是無人飛行器，原因是導(dǎo)彈不能回 收；目前遙控航空模型飛機(jī)是否屬于無人機(jī)仍有疑義和爭(zhēng)論，未有定論，主要原因是現(xiàn)代航空模型飛機(jī)也采用了先進(jìn)的控制技術(shù)，其功用也在變化，從司法層面和飛行管理層面上無法明確鑒定。筆者認(rèn)為：如果只是在視距內(nèi)進(jìn)行表演娛樂活動(dòng)， 遙控航空模型飛機(jī)可認(rèn)為不屬于無人機(jī)，

無人機(jī)發(fā)展到現(xiàn)在，在技術(shù)上使用Unmanned Aerial Vehicle (UAV)來代表無人機(jī)，而在民間中，則經(jīng)常使用drone(老式軍用無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)有規(guī)則的噪聲與公蜂的蜂鳴相似的原因)來代表無人機(jī)[1,2]。

無人機(jī)的兩種形式表達(dá)：unmannedaerialvehicle和uninhabitedaerialvehicle仔細(xì)探究其含義是有區(qū)別的，unmanned從字面上有兩個(gè)含義: 其一是直接的含義，無人的，飛機(jī)上無人；其二是無人操縱的；而uninhabited只有飛機(jī)上無人的含義。從unmanned字面上講，無人 機(jī)應(yīng)同時(shí)具備兩個(gè)含義, 即: 人不在飛機(jī)上并且人不操控飛機(jī), 飛機(jī)能夠“正?！憋w行，也就是說無人機(jī)從起飛準(zhǔn)備-滑行-起飛-空中飛行-返場(chǎng)著陸-退出關(guān)停的全過程(圖1)都可不需要人介入。因此，用“unmanned aerialvehicle”來定義無人機(jī)是最合適的，更能體現(xiàn)“真” 無人機(jī)的內(nèi)涵。無人作戰(zhàn)飛機(jī)(UCAV)的英文表達(dá)應(yīng)為: unmanned combat aerial vehicle。

無人機(jī)經(jīng)過100年的發(fā)展，其演變與發(fā)展是全方位的，其內(nèi)涵也發(fā)生了重大變化，無論執(zhí)行的任務(wù)千變?nèi)f化，但其最根本的變化還是其飛行控制方式的變 化，按照無人機(jī)飛行控制方式的變化，無人機(jī)經(jīng)歷了 下面幾個(gè)發(fā)展階段，并形成了相應(yīng)種類的無人機(jī)：

(1) 遙控飛行無人機(jī)(階段)；

(2) 遙控加局域自動(dòng)飛行無人機(jī)(階段)；

(3) 全自動(dòng)飛行無人機(jī)(階段)；

(4) 全自動(dòng)加局域自主飛行無人機(jī)(階段)；

(5) 全自主飛行無人機(jī)階段(下一階段,即將來臨)。

目前，國(guó)際上無人機(jī)的最高水平是全自動(dòng)加局域自主飛行無人機(jī)，根據(jù)不同的任務(wù)需求以及人力和成本的情況，依據(jù)實(shí)際情況來選擇無人機(jī)的種類，這幾 類無人機(jī)可以并存，相互補(bǔ)充，充分發(fā)揮每一種無人 機(jī)的優(yōu)勢(shì)。

技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)階段，從狹義上定義，無人機(jī)的飛 行可與人沒有直接關(guān)系，即: 人與無人機(jī)二者存在隔離的狀態(tài)；從廣義上講，由于無人機(jī)作為一類可飛行的工具或武器，人要使用它，就必須明確“人機(jī)權(quán)限”問題：人是無人機(jī)的主人(主宰)，無人機(jī)的行為要聽從人的管控，但人的自身能力、精力以及精確控制飛機(jī)能力的限制，不可能分分秒秒或時(shí)時(shí)刻刻管控?zé)o人 機(jī)，因此無人機(jī)必須要有獨(dú)立自主(自動(dòng))工作的能力。

從上面的分析中可知，遙控飛行無人機(jī)(remotely piloted vehicle)與“真”無人機(jī)(unmanned aerial vehicle) 其內(nèi)涵和本質(zhì)是有區(qū)別的。遙控飛行的無人機(jī)的構(gòu)架原理圖見圖2，“真”無人機(jī)的構(gòu)架原理圖見圖3。從圖2和3可直觀看到二者的不同，遙控飛行無人機(jī)是在人直接控制下工作的，即人在其工作環(huán)中；而無 人機(jī)是在人授權(quán)下工作的，人在其工作環(huán)之外，而不是在工作環(huán)之中，這一本質(zhì)上的差別就導(dǎo)致了二者在設(shè)計(jì)中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制功能和實(shí)現(xiàn)方法的不同。

無論怎樣給無人機(jī)下定義, 有自我獨(dú)立工作能力應(yīng)是其本質(zhì)屬性, 但不變的原則是: 無人機(jī)由人使用，人是無人機(jī)的“主人”，無人機(jī)必須聽從人的管控，無人機(jī)自我獨(dú)立工作權(quán)限自然是由人隨時(shí)進(jìn)行設(shè)置的，顯而易見，為實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的功用，無人機(jī)的結(jié)構(gòu)與能力是在“制造”它時(shí)構(gòu)造的。

因此，標(biāo)準(zhǔn)的無人機(jī)應(yīng)有3 個(gè)工作模態(tài)：自主(自動(dòng))模態(tài)、人工干預(yù)模態(tài)和人工 操縱模態(tài)。這3種模態(tài)的使用是由人(操作員)設(shè)置與選擇的。人(操作員)選擇模態(tài)也應(yīng)綜合考慮實(shí)際環(huán)境的 復(fù)雜情況, 可遵循“將在外, 君命有所不受”的原則進(jìn) 行模態(tài)選擇. 上面的3個(gè)工作模式的定義與含義如下:

(1) 自主 (自動(dòng))模態(tài)是無人機(jī)系統(tǒng)的默認(rèn)模式，此模式按照人制定的規(guī)則、理念、思路進(jìn)行工作，管控?zé)o人機(jī)的飛 行；

(2) 人工干預(yù)模態(tài)是在自主(自動(dòng))模態(tài)下，人主動(dòng) 糾正自主(自動(dòng))飛行的偏差，是在默認(rèn)控制基礎(chǔ)上增 加一△增量；

(3) 人工操縱模態(tài)是在控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障而無法自主(自動(dòng))控制無人機(jī)應(yīng)急條件下，由人直接操縱飛機(jī)。一般情況下，人工操縱難以保證飛機(jī)的控制效果，其原因很簡(jiǎn)單：人不在飛行現(xiàn)場(chǎng)，難以準(zhǔn)確感知飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)信息，因而也就難以準(zhǔn)確控制飛機(jī)，無人機(jī)采用上述3個(gè)工作模態(tài)事實(shí)上也明確了“人 機(jī)權(quán)限”問題，人作為無人機(jī)的“主人”，人通過制定規(guī)則和策略管控?zé)o人機(jī)，無人機(jī)按規(guī)則和策略自主(自動(dòng))生成控制指令控制飛機(jī)的飛行；飛行中出現(xiàn)與人的設(shè)想不一致結(jié)果時(shí)，人可進(jìn)行適度的修正；飛行出現(xiàn)應(yīng)急情況時(shí)，人可直接操控飛機(jī)，這是“孤注一擲”的行為。

由于無人機(jī)在整個(gè)使用過程中，不同的飛行階段有不同的使命和任務(wù)，因此，三種工作模態(tài)在不同的飛行階段執(zhí)行不同任務(wù)命令，基于此原因，在構(gòu)造無人機(jī)系統(tǒng)工作邏輯結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)采用“因地制宜”的原則進(jìn)行飛行階段與3種工作模態(tài)的邏輯構(gòu)造置，即：先確認(rèn)階段，然后再選擇工作模態(tài)。采用上述模態(tài)也是涉及到無人機(jī)操控人員的日常培訓(xùn)理念問題，按上面模態(tài)的設(shè)置，無人機(jī)日常的訓(xùn)練方式應(yīng)該是：以模擬器虛擬訓(xùn)練為主，重點(diǎn)在任 務(wù)方面的訓(xùn)練，飛行特情訓(xùn)練為輔，再輔以少量的實(shí) 物飛行訓(xùn)練的方式。

需要強(qiáng)調(diào)的是：既然無人機(jī)能夠自主(自動(dòng))飛行，就涉及到如何自主(自動(dòng))飛行？飛行的好與壞？即自主(自動(dòng))飛行的能力和水平，也就是其智能的高低，這 就出現(xiàn)了自主與智能的內(nèi)涵與相互關(guān)系問題。

3、自主/智能的本質(zhì)內(nèi)涵及其相互關(guān)系

自主/智能的本質(zhì)內(nèi)涵及其相互關(guān)系準(zhǔn)則是無人 機(jī)設(shè)計(jì)的基本原則。

從一般意義上講，自主與智能是兩個(gè)不同范疇的概念，自主表達(dá)的是行為方式，由自身決策完成某行為則稱為“自主”；智能則是完成行為過程的能力[3]，也就是運(yùn)用的方式方法以及策略是否符合自然規(guī)律或符合人(或某團(tuán)體)的行為規(guī)則，在千變?nèi)f化的環(huán)境中找到合理的“路徑”完成某項(xiàng)任務(wù)，則稱為是智能的。顯 而易見，智能是分層次和等級(jí)的[3]。

自主與智能二者之間的關(guān)系應(yīng)該是：自主在前，智能在后，二者應(yīng)該相輔相成；自主未必智能，但自主希望有智能；智能依賴自主，智能的等級(jí)取決于自主權(quán)的高低，智能是自主與知識(shí)及其知識(shí)運(yùn)用的結(jié)合體，智能生成的一般過程應(yīng)該是：在自主的前提下, 綜合運(yùn)用權(quán)限范圍、主動(dòng)性、愛好癡迷精神、感悟力… 等各方面能力，去感受信息、提取信息、積累知識(shí)、 總結(jié)知識(shí)、歸納特征并精化、提升完善知識(shí)結(jié)構(gòu)、融會(huì)貫通知識(shí)以盡可能達(dá)到符合自然規(guī)律的目的。

智能具有相對(duì)性，不同“個(gè)體”的智能是有差別的，這些差別既來自其“出生”時(shí)所賦予的智能，又來自后天學(xué)習(xí)與完善所得到的智能。由于自然界及其存在的事物都是矛盾的統(tǒng)一體，“正確”與“錯(cuò)誤”、“好”與 “壞”、“聰明”與“愚蠢”等等都是相對(duì)，可以互相轉(zhuǎn)化。

因此要正確理解、掌握和運(yùn)用“智能”，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到：在人類社會(huì)中，“高智能”是以人的標(biāo)準(zhǔn)或世界觀確定的，存在所謂的“高智能”與自然界的真“高智能”不一 致的現(xiàn)象，也存在“大智若愚”的現(xiàn)象，這是人的認(rèn)識(shí)能力問題。這也是人類社會(huì)的“奧妙”之一，這也引申出中華民族的至理名言“智者千慮，必有一失”這句名言既是真理，又是公理，因此在設(shè)計(jì)個(gè)體智能策略時(shí)，必須利用對(duì)方的“失”，才能掌控對(duì)方、取勝對(duì)方，因此難點(diǎn)就是如何探知對(duì)方的“失”，一旦掌握了對(duì)方的“失”，制定策略取勝對(duì)方就易如反掌了。

需要強(qiáng)調(diào)，人們往往把智力和智能混為一談，這是錯(cuò)誤的。智力(智商)與智能的內(nèi)涵是完全不同的。智力是對(duì)知識(shí)獲取、推理和運(yùn)用知識(shí)的能力，而智能是指從獲取的知識(shí)、知識(shí)推理和知識(shí)運(yùn)用的結(jié)果符合自然規(guī)律的程度，智力只是智能形成的一個(gè)要素，有智力不一定是智能的，高智能一定是需要高智力。

在構(gòu)造無人機(jī)時(shí)，應(yīng)賦予無人機(jī)“相當(dāng)”的自主和智能能力，以滿足人的需求，應(yīng)基于上述的自主與智能的關(guān)系準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

由于無人機(jī)是在人授權(quán)下工作的，無人機(jī)由人賦予智能的能力，在賦予智能能力過程中會(huì)“植入”使無人機(jī)會(huì)出現(xiàn)“災(zāi)禍”的因子，所謂“災(zāi)禍”是“天災(zāi)”和“人禍”，“天災(zāi)”是自然界的創(chuàng)造，人類無能力管控，“人禍” 是人主觀想干某事，由于能力問題或責(zé)任心問題(疏 忽)，導(dǎo)致飛機(jī)不聽人的指揮或未按人的想法“做事”，出現(xiàn)人不想看到、更不想要、而人又無法控制的事情發(fā)生，這確實(shí)存在，強(qiáng)調(diào)的是：這些失控是暫時(shí)的，不可能永遠(yuǎn)持續(xù)；原因是無人機(jī)需要能量，其智能程度是有限的，再則人也可以采用其他手段管控或擊毀它，“機(jī)器將來局部取代人”的論斷在某種意義上是成 立的，但“機(jī)器將來控制人類”是不可能的，但會(huì)給人 類帶來“麻煩”或“災(zāi)難”，此類“麻煩”或“災(zāi)難”并不是完全不好，對(duì)于某些人群是“壞事”，但對(duì)于另外的人群是“好事”(前提是能管控住)，用此特點(diǎn)對(duì)付“他人”。

具體個(gè)體的自主是有權(quán)限和范圍的，受到許多因素的限制，正如與人的自主概念是一樣的，一是人受到自然界的規(guī)律或法理限制，二是人受到所處群體的 制約(國(guó)家/制度、社會(huì)團(tuán)體/規(guī)程、單位/條例、家庭/倫理道德)；無人機(jī)的自主權(quán)限首先受人(使用者)限制，同時(shí)也受自身能力的制約，也受其使用環(huán)境的限 制(自然地理環(huán)境、飛機(jī)編隊(duì)要求、任務(wù)要求等)。

實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主行為方式的基本原則或底線是：必須具有獨(dú)立自主信息獲取能力、獨(dú)立自主信息處理與決策能力、獨(dú)立行為執(zhí)行能力。獨(dú)立自主信息獲取能力是自主的基礎(chǔ)，沒有獨(dú)立自主的信息獲取能力，就是“空中樓閣”，就是個(gè)“附庸”或“寄生蟲”；對(duì)無人機(jī)而言，如果信息需要外界提供，一旦外界不再提供信息，那么無人機(jī)就會(huì)變成“聾子、瞎子”；獨(dú)立自主信息處理與決策能力是自主的核心，否則就談不上自主，自己沒有主見，只聽別人發(fā)號(hào)施令，只能作“傀儡”；獨(dú)立行為執(zhí)行能力含義為獨(dú)立服從自身決策層的命令，依據(jù)自身的能力去執(zhí)行任務(wù)，而不是僅僅機(jī)械地執(zhí)行外來命令。因此，無人機(jī)成為完整的自主智能需要有上面的三層組成，三者是相互作用與依存，是命運(yùn)共同 體，圖4示出了無人機(jī)自主智能體信息流圖和要求示。

無人機(jī)智能實(shí)現(xiàn)的基本原則或底線是: 在自主體三層面的每個(gè)層面都要有基本的智能功能和能力，三者協(xié)調(diào)互補(bǔ)；每層的智能功能應(yīng)實(shí)現(xiàn)基本的自然規(guī)律或行為規(guī)則，有自學(xué)習(xí)和自完善的能力。信息感知與提取要獨(dú)立自主能力體現(xiàn)在下面三個(gè)方面：(1) 信息源應(yīng)是自然屬性，信息源不能人為設(shè)置特征屬性，這會(huì)難以保證信息的唯一性、可信性和 安全性；(2) 信息源的信息感知要自主完成，不能利用其他外部信息和輔助段；(3) 信息特征的提取要自主完成，不能利用其他外部手段提供的特征信息。

顯而易見，GPS、北斗信息以及數(shù)據(jù)鏈提供的信息不是自主信息，這些信息傳感器(或設(shè)備)就不是自主信息傳感器(或設(shè)備)；下面列出的傳感器(或設(shè)備) 屬于信息自主感知傳感器：慣性傳感器; 視覺感知設(shè)備；地形匹配感知設(shè)備；光學(xué)感知(激光/紅外/紫外等) 傳感器；天文信息感知傳感器；電磁感知傳感器。

以機(jī)場(chǎng)感知與特征提取為例說明信息感知與提取要獨(dú)立自主能力的含義。

在機(jī)場(chǎng)上安裝反光鏡或其他人為設(shè)置的標(biāo)志來指示機(jī)場(chǎng)的位置特征、跑道的參數(shù)特征就不體現(xiàn)自主特性，因?yàn)檫@些人為設(shè)置的特征很容易改變或破壞，不能作為可信和唯一的信息屬性標(biāo)志。應(yīng)以跑道周圍難以改變的屬性特征作為信息源，周圍面積大小根據(jù)距離的遠(yuǎn)近選擇，從遠(yuǎn)到近，區(qū)域面積逐步減小，區(qū) 域內(nèi)以人難以改變的屬性特征為信息提取特征：如高山、河流、自然景觀以及它們之間的相互關(guān)系為屬 性，這樣就既能實(shí)現(xiàn)自主，又能進(jìn)行故障識(shí)別與故障 重構(gòu)，為自主決策提供可信和唯一特征的信息。

目前人是自然界的“精靈”，是最為合理的自主智能綜合體。無人機(jī)的設(shè)計(jì)理念應(yīng)遵循人體結(jié)構(gòu)和人思維/行為邏輯的關(guān)系，復(fù)雜性管理的策略和方針應(yīng)是 “分而治之”(divideandrule)[4]。人的智能處理是分層次的，對(duì)外界的信息處理和響應(yīng)分優(yōu)先級(jí)，生死問題優(yōu)先處理，提高和改善生活質(zhì)量和環(huán)境次之，不同的條件下，生死問題處理方法也不一樣。因此, 無人機(jī)作為人使用的工具，其智能處理也應(yīng)分層次和等級(jí)[1,5]，有優(yōu)先級(jí)。建議以優(yōu)先級(jí)為原則將無人機(jī)智能等級(jí)分3個(gè)等級(jí)(層級(jí))(圖5)。

第一等級(jí)是無人機(jī)個(gè)體安全飛行等級(jí)，定義為“高可靠活著”：能夠安全飛行，高度、速度和姿態(tài)等狀態(tài)是安全的；有防撞能力，能自主安全的規(guī)避靜止和動(dòng)的物體；空中加受油能力，確保有飛行能量；故障重構(gòu)和自修復(fù)能力；特情安全著陸能力。

第二等級(jí)是完成小組特定的工作，定義為“高品質(zhì)的工作”：能夠?qū)崿F(xiàn)四維導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)態(tài)勢(shì)感知與認(rèn)知；能夠?qū)崿F(xiàn)路徑規(guī)劃與重規(guī)劃；任務(wù)規(guī)劃與重規(guī)劃；無意識(shí)信息的認(rèn)知。

第三等級(jí)是實(shí)現(xiàn)機(jī)群協(xié)同任務(wù)，定義為“為集體使命高效工作”：編隊(duì)飛行；有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)；群體感知與態(tài)勢(shì)共享；集群聯(lián)合作戰(zhàn)。

總之，為能實(shí)現(xiàn)上面3個(gè)等級(jí)的自主智能控制，“創(chuàng)造”出完整與完善的無人機(jī), 應(yīng)遵循下面的“創(chuàng)造”原則：在保證自主與智能的前提下，應(yīng)借助其他手段和傳感器充分獲取和利用一切可用的信息，這樣可起到事半功倍的效果和作用，強(qiáng)調(diào)自主與智能必需確保底線。為實(shí)現(xiàn)這一原則，無人機(jī)必需具有3個(gè)信息環(huán)：自主信息環(huán)、非自主(外來輔助)信息環(huán)、權(quán)限信息環(huán)(高智能還應(yīng)有無意識(shí)信息環(huán))；信息的獲取、處理與應(yīng)用以及任務(wù)決策必須保證自主完成，這需要構(gòu)造“代理機(jī)構(gòu)”來實(shí)現(xiàn)，至少有兩個(gè)“代理”，一是在地面上的“代理”, 完成人的指令構(gòu)造與分發(fā)，二是在飛機(jī)上的“代理”，實(shí)現(xiàn)完善的自主智能管控，其作用最為關(guān)鍵，是核心功能“構(gòu)件”，沒有此“代理”，無人機(jī)就無法實(shí)現(xiàn)真正的自主智能使命。圖6示出了無人機(jī)信息流與結(jié)構(gòu)。

無人機(jī)在自然界能作為一完整獨(dú)立的個(gè)體，它應(yīng)融入自然界中，它應(yīng)與自然界、作為其主人的人和對(duì)手有密切的關(guān)聯(lián)，否則難以達(dá)到自主智能的高境界，無人機(jī)本體與自然和人以及代理同時(shí)有關(guān)系才能實(shí)現(xiàn)“真正”的自主與智能功能。圖7示出了“真正”無人 機(jī)的“社會(huì)”關(guān)系。

4、無人機(jī)自主智能控制實(shí)現(xiàn)方法

正如人一樣，世界上任何有“生命”的事物構(gòu)成都是一樣的，由載體(人為肉體)和功能靈魂兩部分組成的，因此，無人機(jī)自主智能控制系統(tǒng)也不例外，是由硬 件載體和載體所承載的功能靈魂(信息獲取與行為決策、控制律與控制邏輯等)組成(見圖8系統(tǒng)基本構(gòu)成)。需要指出的是：硬件載體和功能靈魂是相互作用的，不同的載體承載不同的功能靈魂，高智能的靈魂需要高性能的載體，兩者是相輔相成的，“創(chuàng)造”無人機(jī)自主智能控制系統(tǒng)時(shí)必須對(duì)二者同時(shí)考慮，二者必須相 協(xié)調(diào)。

為能實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主智能控制，需要載體能擴(kuò)充、功能能擴(kuò)展、智能水平可提升、故障重構(gòu)和自修復(fù)能力可完善，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)采用分布式系統(tǒng)，信息感知與獲取的傳感器(部件)、信息處理分析與決策計(jì)算單元、指令執(zhí)行部件采用相對(duì)獨(dú)立，并分布式配置，這里分布式配置有兩個(gè)含義，其一是硬件載體分布配置(圖9(a))，二是功能控制也是分布的，有主控制中心，也有副控制中心，還有輔助控制(圖9(b))[4,6]。相對(duì)來說，分布式載體構(gòu)成與實(shí)現(xiàn)容易些，但對(duì)于自主智能的功能靈魂，要實(shí)現(xiàn)3層10級(jí)的自主智能等級(jí)要求，其邏輯與信息架構(gòu)的“創(chuàng)造”難度是非常之大，經(jīng)分析研究，可行的邏輯與信息架構(gòu)如圖10所示的四環(huán)結(jié)構(gòu)，第一、第二個(gè)環(huán)完成第一層級(jí)的自主智能控制，實(shí)現(xiàn)“高可靠活著”；第一、第二和第三個(gè)環(huán)完成第二層級(jí)的自主智能控制，實(shí)現(xiàn)“高品質(zhì)的工作”； 第一、二、三、四環(huán)完成第三層級(jí)的自主智能控制。

實(shí)現(xiàn)“為集體使命高效工作”。上面的自主智能控制的框架結(jié)構(gòu)基于“分而治之”的策略，先分層次，然后每個(gè)層級(jí)采用不同智能決策策略，簡(jiǎn)化系統(tǒng)的復(fù)雜度。

5、討論與結(jié)論

本文作者在多年的研究基礎(chǔ)上，對(duì)無人機(jī)的定義和內(nèi)涵進(jìn)行重新梳理，分析闡述了無人機(jī)的自主與智能控制的關(guān)系，初步形成了無人機(jī)自主智能控制實(shí)現(xiàn) 的基本理念和思路，構(gòu)建了自主智能控制系統(tǒng)工程實(shí)現(xiàn)的架構(gòu)，部分結(jié)果已在實(shí)際飛機(jī)控制系統(tǒng)中采用，這只是起步工作；雖然自主智能控制已有多年的研究歷史，但研究深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，大多停留在理論層面上，工程應(yīng)用層面上還處于萌芽狀態(tài)，急需對(duì)具體的自主智能的信息感知方法、智能決策策略與實(shí)現(xiàn)方法(算法)進(jìn)行深入研究。