无人机自主控制系统的能力需求、结构组成及关键技术分析.pdfVIP

无人机自主控制系统的能力需求、结构组成

及关键技术分析

得益于机械、材料、控制、通信、光学、软件、算法等相关技术的进步，近年来，无人

机系统的能力和关键技术成熟度得以不断提升。且在技术推动和市场拉动的双重作用下，无

人机系统正逐步进入一种良性循环的迭代发展模式：一方面，无人机系统在各种传统的经典

任务场景中表现得越来越熟练和出色，逐渐实现了“能飞到能用”的跨越;另一方面，无人

机系统能力的提升拓展了其应用领域，在原有需求之外不断涌现出更多新的和潜在的应用场

景，且来自新需求的牵引反过来促进了相关技术的发展。

在上述发展过程中，面向自主性/自主能力要求的自主控制系统作为无人机最为重要的

子系统之一，其研究和应用无疑是无人机系统不断成熟和走向实际应用的重要推动力量，对

其理解和认识也在不断深化与完善。完全意义上的自主控制是无人机未来发展的必然方向和

典型特征，其首要目标是支撑无人机实现自主飞行和自主完成特定任务的能力。而且，近年

来人工智能技术的发展与进步也为自主控制系统智能化的“认知”和“决策”能力实现提供

了新的思路和动力。

1对自主控制系统的认识

一般而言，用于实现自主性或自主能力的控制过程都可以称为自主控制，自主控制本质

上属于智能控制范畴，系统自主性的强弱取决于智能水平的高低。作为自主性实现的重要手

段，智能控制学科在基础理论方面取得了长足的进步，其应用领域不断拓展。但时至今日，

客观地说，智能控制仍然不成熟，这在很大程度上归因于关于“智能”的研究本身，智能科

学这一充满挑战性的领域至今尚未取得根本性突破，仍有大量的关键问题需要探索和研究。

无人系统是智能控制技术最为重要的应用载体和研究方向，随着电子技术、计算机技术

和控制技术的发展，以无人机为代表的无人系统自20世纪90年代起出现了爆炸式的发展。

无人系统与生俱来固有的自主性需求，结合智能控制等先进控制技术发展，催生了自主控制

相关概念的出现。自那时起，关于无人系统自主控制的研究在英美等发达国家开始逐渐得到

重视，自主控制系统及相关技术也成为无人系统自主性实现最为重要的支撑。进入21世

纪，国内也针对自主控制技术展开了持续的广泛深入讨论和研究，并在工程实际中开展了无

人机平台自主控制相关技术的飞行演示验证工作。

关于无人机智能化与自主控制，国内行业内的多位院士对此都有重要的相关论述。吴宏

鑫院士曾明确指出：“自主运行是目的，而智能控制与其他各种控制方法是实现自主运行的

手段。”樊邦奎院士也曾指出，对于先进无人机需要实现3个层面的智能化：“单机飞行智

能化、多机协同智能化和任务自主智能化”。包为民院士曾指出：“无人系统智能自主控制

是无人系统平台、人工智能和智能控制的深度融合，其控制理论和技术具有前沿性、基础性

和综合性，是支撑无人系统未来发展的核心领域之一。”赵煦院士也明确指出：“要进一步

突破无人机自主控制技术，就必须提高无人机系统的智能化水平。无人机自主控制的智能化

主要体现在3个方面，即飞行的智能、决策的智能和集群的智能。无人机飞行的智能化是实

现无人机决策智能和集群智能的基础，集群协同的智能化是实现无人机全自主这一终极目标

的重要途径。”可见，无人机系统期望具有的是“基于自主的智能”，即智能化本质上是为

了更好地实现面向任务的自主化，主要技术手段则是自主控制。

无人机自主控制可以理解为非结构化环境、非预设态势、非程序化任务等各种不确定条

件下的“高度”自动控制，其最为主要的特性是：在无人干预的情况下，面对不确定性，实

时或近实时地解决复杂的优化控制问题。换言之，无人机自主控制意味着在没有人工/外部

干预的条件下，无人机能够通过在线环境/态势的感知和信息处理，自主生成优化的控制与

管理策略，规避各种障碍和威胁，完成各种特定任务，并具有快速且有效的动态任务适应能

力。无人机自主控制所面临的挑战主要来自运行环境、任务及无人机系统自身的复杂性、不

确定性和动态性。

对于无人机自主控制系统，迄今尚未有一个明确的定义，而且自主控制系统的内涵和认

识也随着应用场合、技术发展和时间的推移有所不同。但是从功能分解与系统实现的角度出

发，通常认为无人机自主控制系统一般由无人机任务管理系统、飞行管理系统、控制执行系

统和感知与通信系统等子系统组成，基于信息实施无人机的决策、管理与控制功能，在动态

和不确定环境下完成复杂任务。不同无人机自主控制系统的功能配置和任务应用配置使得无

人机具有不同的自主控制能力，来适应不同的自主性