基于AI的無(wú)人機(jī)自主飛行技術(shù)展望

林一平

上海交通大學(xué)，上海市 閔行區(qū) 100000

基于AI的無(wú)人機(jī)自主飛行需要具備環(huán)境感知、導(dǎo)航定位、路徑規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制的能力，并能在飛行實(shí)踐中學(xué)習(xí)，糾正失誤，通過(guò)深度學(xué)習(xí)，強(qiáng)化學(xué)習(xí)，持續(xù)提高，為無(wú)人機(jī)群智能飛行、實(shí)際營(yíng)運(yùn)奠定基礎(chǔ)。

無(wú)人機(jī)飛行經(jīng)歷了程序飛行、遙控飛行、半自動(dòng)飛行階段后，基于AI進(jìn)入了自主飛行階段，其技術(shù)不斷成熟，性能不斷提升。這不僅使無(wú)人機(jī)具備了環(huán)境感知、導(dǎo)航定位、路徑規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制的能力，而且還提供了在飛行實(shí)踐中學(xué)習(xí)，糾正失誤，通過(guò)深度學(xué)習(xí)，強(qiáng)化學(xué)習(xí)，持續(xù)提高的過(guò)程，為無(wú)人機(jī)群智能飛行等奠定基礎(chǔ)。

基于AI的無(wú)人機(jī)自主飛行首先必備基礎(chǔ)能力，其次應(yīng)該具備自我學(xué)習(xí)能力，并不斷提高智能水平等級(jí)，獲得優(yōu)良品質(zhì)。

基礎(chǔ)能力

基于AI的無(wú)人機(jī)自主飛行首先必備基礎(chǔ)能力，即具備環(huán)境感知能力、導(dǎo)航定位功能、路徑規(guī)劃能力、運(yùn)動(dòng)控制功能(見(jiàn)圖1)。

環(huán)境感知

無(wú)人機(jī)在空中需要時(shí)刻感知外部環(huán)境及其變化，因?yàn)槠潢P(guān)系到能否正常飛行，是否飛行安全。這個(gè)外部環(huán)境包括靜態(tài)的和動(dòng)態(tài)的。靜態(tài)的環(huán)境包含高樓大廈、電視臺(tái)、廣播臺(tái)、大山、江河等地理標(biāo)志物；動(dòng)態(tài)的環(huán)境包含周邊有無(wú)飛鳥(niǎo)，有無(wú)航空器在飛行；有無(wú)風(fēng)、雨、雪等氣象變化。通常采用機(jī)載的有針對(duì)性的傳感器采集外界環(huán)境的大氣數(shù)據(jù)、高度數(shù)據(jù)、速度數(shù)據(jù)、坐標(biāo)數(shù)據(jù)、目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，輸入計(jì)算機(jī)分析、運(yùn)算，做出判斷、決策，使無(wú)人機(jī)能夠適應(yīng)外部環(huán)境及其變化，主動(dòng)避讓?zhuān)吚芎Γ_保正常飛行和飛行安全。

導(dǎo)航定位

無(wú)人機(jī)在空中飛行需要時(shí)刻了解自己所處的位置，以保證飛行途中不迷航，且航向正確。目前無(wú)人機(jī)上普遍使用GPS 系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航定位，這對(duì)于自主飛行是個(gè)技術(shù)保障。對(duì)于一些高標(biāo)準(zhǔn)、特殊用途的無(wú)人機(jī)通過(guò)機(jī)載激光裝置還可以提高導(dǎo)航定位系統(tǒng)的精準(zhǔn)度。

航線規(guī)劃

無(wú)人機(jī)自主飛行在領(lǐng)受任務(wù)后需要根據(jù)所去空域的實(shí)際情況認(rèn)真規(guī)劃航線，做出多套方案進(jìn)行比較和優(yōu)選。既要避開(kāi)高樓大廈、大山的阻擋，又要避開(kāi)人口集中城市空域民航機(jī)的繁忙航線，避免發(fā)生沖突，還要考慮沿途經(jīng)過(guò)有哪些機(jī)場(chǎng)可作為應(yīng)急用的臨時(shí)備降場(chǎng)。既要確保所規(guī)劃的飛行航線最短、最合理，又要達(dá)到省時(shí)、省油、經(jīng)濟(jì)性最佳，并且安全性最佳。對(duì)于軍用無(wú)人機(jī)的航線規(guī)劃要考慮戰(zhàn)場(chǎng)的突防，以降低威脅，做好自身防護(hù)。

運(yùn)動(dòng)控制

無(wú)人機(jī)的自主飛行需要全程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，包括正常的自主起飛/降落，爬升、平飛、盤(pán)旋、加/減速、俯仰穩(wěn)定與操縱、航向穩(wěn)定與操縱等。評(píng)判無(wú)人機(jī)飛行運(yùn)動(dòng)控制有效性的標(biāo)志是在出現(xiàn)狀況時(shí)能及時(shí)糾錯(cuò)，或做出補(bǔ)救，確保后續(xù)飛行正常，并在執(zhí)行完任務(wù)后順利返航。

升級(jí)智能水平

基于AI的無(wú)人機(jī)自主飛行同時(shí)應(yīng)該擁有自我學(xué)習(xí)能力，即擁有模仿學(xué)習(xí)能力、機(jī)械記憶能力、理解學(xué)習(xí)能力、糾錯(cuò)提高能力、深度學(xué)習(xí)能力、強(qiáng)化學(xué)習(xí)能力、并且能像上臺(tái)階一樣不斷地提升應(yīng)用人工智能解決飛行中遇到問(wèn)題的能力(見(jiàn)圖2)。

初級(jí)智能

此階段為通式教育，表現(xiàn)為智能無(wú)人機(jī)能夠像小學(xué)生那樣從初級(jí)的模仿學(xué)習(xí)開(kāi)始，通過(guò)逐步增加的基礎(chǔ)知識(shí)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)來(lái)積累機(jī)械記憶，學(xué)習(xí)并掌握一些基本的飛行技能。相當(dāng)于初級(jí)教練期，經(jīng)過(guò)考核、評(píng)價(jià)及格后才能升入下一個(gè)中級(jí)智能學(xué)習(xí)階段。

圖1 基于AI無(wú)人機(jī)自主飛行的若干大課題

圖2 基于AI無(wú)人機(jī)自主飛行的學(xué)習(xí)模式

(1) 模仿學(xué)習(xí)智能無(wú)人機(jī)在此階段以學(xué)樣、模仿為主特征，屬于輸入式學(xué)習(xí)的過(guò)程。以會(huì)不會(huì)，不走樣；像不像為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 機(jī)械記憶智能無(wú)人機(jī)在此階段以大量吸收知識(shí)、強(qiáng)行記憶為主特征，屬于輸入、下載、存儲(chǔ)的過(guò)程。并形成智能無(wú)人機(jī)的最初知識(shí)庫(kù)。

中級(jí)智能

智能無(wú)人機(jī)在此階段表現(xiàn)為能夠像中學(xué)生那樣從中級(jí)教練中學(xué)習(xí)，理解含義，逐步學(xué)會(huì)思考，學(xué)會(huì)決策，學(xué)會(huì)一些基本的糾錯(cuò)技能。

(1) 理解學(xué)習(xí)智能無(wú)人機(jī)在此階段以學(xué)習(xí)中不再滿足初級(jí)的模仿學(xué)習(xí)和機(jī)械記憶，不再滿足不求甚解，而是能夠搞清楚其定義、標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)的確切含義，更好地貫徹執(zhí)行。

(2) 能夠思考智能無(wú)人機(jī)在此階段以學(xué)習(xí)中不再滿足初級(jí)的模仿學(xué)習(xí)和機(jī)械記憶，而是能夠提出問(wèn)題，積極地思考。會(huì)提出問(wèn)題，會(huì)追根尋源，直至搞明白，弄清楚。通過(guò)考核努力成為無(wú)人機(jī)中的“學(xué)士”。

(3) 能夠決策智能無(wú)人機(jī)在此階段開(kāi)始學(xué)習(xí)為自身行為決策，決策來(lái)自諸如如何在飛行中避碰；如何避開(kāi)航線中的雷電區(qū)域；如何在發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車(chē)情況下迫降；如何在前起落架故障情況下安全著陸等。通過(guò)考核努力成為無(wú)人機(jī)中的“碩士”。

(4) 能高糾錯(cuò)智能無(wú)人機(jī)在此階段開(kāi)始學(xué)習(xí)一旦發(fā)生操縱失誤時(shí)如何來(lái)糾正差錯(cuò)，然后迅速恢復(fù)正常。尤其是差錯(cuò)發(fā)生在無(wú)人機(jī)起飛段或降落段，或在低空空域，不僅飛行高度低，而且反應(yīng)時(shí)間短，環(huán)境復(fù)雜，非常考驗(yàn)無(wú)人機(jī)的智能系統(tǒng)和糾錯(cuò)能力。

高級(jí)智能

智能無(wú)人機(jī)在此階段表現(xiàn)為能夠像大學(xué)生那樣從高級(jí)教練中學(xué)習(xí)，理解含義，主動(dòng)學(xué)會(huì)思考，學(xué)會(huì)決策，學(xué)會(huì)并掌握一些高級(jí)的糾錯(cuò)技能。

(1) 深度學(xué)習(xí)智能無(wú)人機(jī)在此階段以學(xué)得深、鉆研得深為標(biāo)志。在縱向技術(shù)層面達(dá)到它會(huì)，己也會(huì)；己會(huì)，它不會(huì)；甚至使己達(dá)到比以往更深的層次，技術(shù)上更超前，擁有絕對(duì)的科技優(yōu)勢(shì)。通過(guò)考核努力成為無(wú)人機(jī)中的“博士”。

(2) 強(qiáng)化學(xué)習(xí)智能無(wú)人機(jī)在此階段以高度自覺(jué)，不自滿為標(biāo)志。不斷要求自身學(xué)習(xí)、學(xué)習(xí)、再學(xué)習(xí)，吐故納新，不斷技術(shù)升級(jí)，不斷提高智商，不斷提高智能，變得更聰明，通過(guò)考核努力成為無(wú)人機(jī)中的“博士后”。

(3) 能抗干擾智能無(wú)人機(jī)在此階段學(xué)會(huì)多種抗干擾手段，確保機(jī)載系統(tǒng)不失效，照樣能在強(qiáng)電磁波干擾環(huán)境中排除外部干擾，阻止外界黑客進(jìn)入，保護(hù)機(jī)載系統(tǒng)，依靠人工智能可靠飛行。

(4) 識(shí)破騙局智能無(wú)人機(jī)經(jīng)過(guò)在此階段的學(xué)習(xí)已經(jīng)具有較高的智商，掌握較全面的知識(shí)，整套機(jī)載系統(tǒng)足夠完善，足夠強(qiáng)大，能夠擺脫外方的多種引誘，識(shí)破外方設(shè)置的騙局，不受干擾、不受引誘、不被受控、不上當(dāng)，堅(jiān)定地依靠自主導(dǎo)航，自主操控飛行，圓滿地完成既定任務(wù)。

(5) 應(yīng)急處理 智能無(wú)人機(jī)在此階段的學(xué)習(xí)已經(jīng)具有較高的智能，能夠在復(fù)雜的飛行環(huán)境中自行全程監(jiān)管機(jī)載系統(tǒng)工作，保障其運(yùn)行工作。一方面，在遇到故障時(shí)能正確診斷故障源，及時(shí)排除故障。另外一方面，在無(wú)人機(jī)遇到險(xiǎn)情時(shí)能自應(yīng)急、自切換、自排障、自挽救。

應(yīng)用能力

智能無(wú)人機(jī)經(jīng)過(guò)初級(jí)、中級(jí)、高級(jí)階段學(xué)習(xí)，檢驗(yàn)其成果的標(biāo)準(zhǔn)最終應(yīng)該落實(shí)在分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的應(yīng)用能力上。由于這一切都發(fā)生在空中，既不同于地面的排障，也不同于有人駕駛飛機(jī)的排障，往往時(shí)間非常緊迫，必須立刻做出決定，落實(shí)具體措施，否則后果將會(huì)十分嚴(yán)重。好在這些經(jīng)過(guò)智能化高級(jí)階段學(xué)習(xí)的無(wú)人機(jī)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的應(yīng)用能力特別強(qiáng)，能夠勝任。再加上5G技術(shù)的運(yùn)用，將大大縮短空中反應(yīng)及應(yīng)急處理的時(shí)間，恢復(fù)系統(tǒng)正常，并挽救無(wú)人機(jī)。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述梳理，用戶(hù)可以對(duì)各自的無(wú)人機(jī)智能化作一個(gè)客觀、公正的評(píng)價(jià)，對(duì)其達(dá)到的智能水平有個(gè)更清醒的認(rèn)識(shí)?；贏I無(wú)人機(jī)自主飛行所面對(duì)的大課題，既點(diǎn)明了無(wú)人機(jī)智能化研究的領(lǐng)域，又指明了無(wú)人機(jī)智能化方向，還指出了無(wú)人機(jī)智能化發(fā)展的趨勢(shì)。

雖然，目前世界智能無(wú)人機(jī)發(fā)展水平參差不齊，有更多的無(wú)人機(jī)還處在初級(jí)智能階段；部分無(wú)人機(jī)達(dá)到了中級(jí)智能階段；也只有極少數(shù)的無(wú)人機(jī)進(jìn)入了高級(jí)智能階段。顯然，首尾兩端發(fā)展總體落差很大，且又讓出了很大的上升空間，說(shuō)明無(wú)人機(jī)光具備基礎(chǔ)智能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，很有必要繼續(xù)深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化智能學(xué)習(xí)，不斷升級(jí)智能化水平才能跟上時(shí)代步伐，適應(yīng)日新月異的科技發(fā)展，滿足航空創(chuàng)新需要。 ■