軍用直升機智能自主控制技術(shù)發(fā)展研究

呂少杰 楊巖 韓振飛

摘要：軍用直升機是在低空、超低空執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的飛行器，隨著戰(zhàn)場威脅的不斷升級和低空環(huán)境的日益復(fù)雜，對直升機的任務(wù)性能需求不斷提升。本文從軍用直升機的使用需求分析出發(fā)，結(jié)合直升機飛控系統(tǒng)技術(shù)特點，論證了發(fā)展智能自主控制技術(shù)的必要性，對當前智能自主飛行控制技術(shù)的發(fā)展動態(tài)和智能化應(yīng)用情況進行了分析。考慮當前技術(shù)基礎(chǔ)，區(qū)分近期和遠期目標，對智能自主控制技術(shù)的發(fā)展進行了展望，提出了初步思路，為后續(xù)該領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：直升機；飛行控制；人工智能；雙模式控制；人機融合

中圖分類號：V249.1文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.10.006

飛行員對軍用直升機的操縱包括飛行操控和任務(wù)載荷操縱，隨著對現(xiàn)代軍用直升機飛行品質(zhì)和任務(wù)效能要求的日益提高，直升機的飛行控制技術(shù)得到了迅速發(fā)展，飛行控制系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)歷了增穩(wěn)裝置—控制增穩(wěn)—電傳操縱/主動控制，直至光傳操縱和綜合控制階段，并與航電、火控、發(fā)動機等系統(tǒng)交聯(lián)實現(xiàn)一體化控制與管理，大大改善了現(xiàn)代直升機的飛行品質(zhì)[1]。無人直升機通過運用經(jīng)典控制理論或現(xiàn)代控制方法，解決了無人直升機自動控制問題，無人直升機具備了超視距飛行控制能力，可按預(yù)定航線實現(xiàn)遠程飛行、自動起飛、自動返航和自動著陸/著艦，部分先進裝備還具備故障診斷/隔離、自動航線規(guī)劃等功能，自主控制能力達到了美國空軍研究實驗室定義的自主控制等級（ACL）中4級水平。然而，直升機由于本身結(jié)構(gòu)和使用條件等問題，事故率仍遠高于固定翼飛機，軍用直升機在激烈對抗條件下，飛行員既需要負責飛行駕駛，又需要進行有效的信息處理和判斷以及武器發(fā)射，工作負荷較高，這種情況下如果仍然單純依賴于駕駛員，駕駛員將耗費大量的精力著重于操縱飛機而不是完成任務(wù)，直接導致任務(wù)完成能力急劇下降。

人工智能是研究與開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學，它企圖了解智能的實質(zhì)，并生產(chǎn)出一種新的能與人類智能相似的方式做出反應(yīng)的智能機器[2-3]。智能技術(shù)不僅可以提升直升機飛行控制的性能水平和智能化程度，減輕飛行員的操縱、決策負擔，同時還是提高直升機任務(wù)能力和安全性水平的有效途徑。本文以智能飛行控制技術(shù)為突破口，對直升機智能自主控制技術(shù)需求、發(fā)展現(xiàn)狀及未來展望進行了分析。

1直升機智能自主控制技術(shù)的需求分析

（1）提高直升機任務(wù)效能

軍用直升機作戰(zhàn)以低空、近距為主要特點，低空和超低空氣象條件復(fù)雜、障礙密集、火力威脅嚴重，提高直升機的安全性和完成任務(wù)的能力，越來越多的偵察探測和傳感設(shè)備裝備在了直升機上，顯著提高了情報偵察和周圍環(huán)境數(shù)據(jù)的收集能力，但面對海量、多源、復(fù)雜且快速增長的信息數(shù)據(jù)，直接起到監(jiān)督、管理和控制作用的飛行員，需要在超強工作強度下，既要駕駛直升機，又要面臨障礙物和各種威脅時進行實時評估，同時快速操縱光電探測、雷達探測、武器、自衛(wèi)干擾等任務(wù)載荷完成目標偵察/信息捕獲及目標打擊任務(wù)，操縱負擔明顯過重。通過發(fā)展智能化飛行控制能力，進一步簡化人工操縱，輔助飛行員進行任務(wù)決策，降低飛行員工作負荷，最終實現(xiàn)飛行的無憂操縱，從而提高直升機任務(wù)效能。

（2）提升直升機安全性水平

在20世紀末，美國在10年間的直升機事故率約為13.21次/10萬飛行小時，這一數(shù)據(jù)大約為固定翼飛機的2～3倍。除裝備故障原因外，主要是直升機可完成固定翼飛機不能完成的非標準任務(wù)，在超低空、復(fù)雜地形下執(zhí)行任務(wù)，易遭遇云霧煙雨使飛行員喪失能見度，發(fā)生撞擊帶電的導線、樹木、建筑物、堤壩等，易遭遇不可控制的下降氣流，使直升機損失航線高度，造成機體撞地、旋翼撞地或尾槳撞山；易碰上復(fù)雜氣象而使旋翼結(jié)冰，造成直升機墜毀。

在目前直升機飛行控制系統(tǒng)中，具有一定的飛行邊界保護功能，包括姿態(tài)角限制、最大速度限制、過載限制、高度保護等。直升機飛行狀態(tài)進入邊界限制范圍，系統(tǒng)會告警并自動進行飛行邊界保護，使直升機飛行狀態(tài)保持在規(guī)定的飛行邊界內(nèi)。隨著飛控系統(tǒng)智能化能力的不斷提高，可以將更加復(fù)雜的飛行安全保護功能融入飛控系統(tǒng)，一旦進入限制范圍，系統(tǒng)告警并自動退出操縱以改出該飛行狀態(tài)，實現(xiàn)高等級的飛行安全保護。

（3）拓展直升機飛控系統(tǒng)的適用范圍

直升機飛控計算機運行速度快，可以處理復(fù)雜的計算，但是飛行控制算法及控制率考慮那些在設(shè)計階段就指定好的、被認為關(guān)鍵的、可以量化的變量，對于出現(xiàn)的突發(fā)狀況或者設(shè)計之初未納入考慮范圍的狀況卻往往束手無策。戰(zhàn)場環(huán)境瞬息萬變，直升機的飛行狀態(tài)可能由于態(tài)勢變化、突發(fā)威脅或者是特情狀態(tài)等原因而發(fā)生改變，導致預(yù)先設(shè)定的飛行規(guī)則無法正常使用。采用具有認知能力、自學習能力的直升機智能操控方法，通過有效的飛行數(shù)據(jù)，進行操控技術(shù)的自學習、自升級，可不斷拓展直升機飛控系統(tǒng)的適用范圍，面對突發(fā)狀況時，產(chǎn)生具有高置信度的操縱指令。

2智能自主飛行控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

智能自主控制是指具備感知、學習、推理、認知、執(zhí)行、演化等類人行為屬性的自主控制。通過引入智能技術(shù)，在感知、決策、操控等方面賦予飛行器類人行為屬性，可顯著提升其執(zhí)行任務(wù)的自主能力。近年來，軍用直升機自主水平不斷提高，但仍需飛行員參與飛行控制，無人直升機已經(jīng)具備了一定的自主飛行能力，但是距離完全自主執(zhí)行作戰(zhàn)等復(fù)雜任務(wù)仍有較大差距。

2.1持續(xù)升級直升機的自主控制能力

當前直升機面臨的戰(zhàn)場區(qū)域的飛行環(huán)境更加復(fù)雜。這種狀態(tài)下，如果仍然單純依賴于飛行員，飛行員將耗費大量的精力著重于操縱飛機而不是完成任務(wù)，直接導致任務(wù)完成能力急劇下降。目前，有人直升機平臺上雖實現(xiàn)了自動駕駛功能，但僅限于穩(wěn)定航行階段，仍不具備自主飛行能力。

2013年起，為大幅降低飛行員操縱負擔，提升執(zhí)行任務(wù)的靈活性，美國西科斯基公司開始將無人自主控制技術(shù)和有人直升機平臺進行融合，開發(fā)了“矩陣技術(shù)”和可選有人駕駛飛行器（optionally piloted vehicle， OPV）控制系[4]，以UH-60MU為驗證機，升級了自主任務(wù)管理系統(tǒng)，使其具備有人操縱、有人自主飛行和無人駕駛之間自由切換功能，其中有人自主模式，直升機進行自主飛行，飛行員主要進行任務(wù)載荷操作[5-6]。在這種駕駛模式下，相當于增加了一名“虛擬”飛行員，根據(jù)飛行員的目標級指令自主駕駛直升機完成飛行。飛行員可通過人工操縱退出有人自主模式，切換到有人駕駛模式。加裝OPV系統(tǒng)的直升機可執(zhí)行并提升自動起降、障礙物規(guī)避、著陸區(qū)自動選擇、地形跟蹤飛行等補給任務(wù)，美國陸軍計劃在2025年以前將該技術(shù)大量應(yīng)用于現(xiàn)役直升機，其下一代高速直升機V-280、傾轉(zhuǎn)旋翼機SB-1、共軸剛性旋翼直升機均在開展無人自主飛行能力測試。

歐直公司利用EC-145直升機也成功完成了有人/無人雙模控制的無人演示驗證飛行，EC-145通過將一個OPV黑盒子植入原有的航電系統(tǒng)獲得雙模控制功能，有人駕駛模式和無人駕駛模式可以在幾分鐘內(nèi)完成切換。美國極光公司對UH-1H直升機進行了可選有人駕駛加改裝，使其能夠在一名飛行員的監(jiān)督和控制下進行無人飛行試驗，并被重命名為AEH-1（自主能力H-1）。AEH-1首先取得了FAA試驗類別下的研究及開發(fā)飛行試航性認證[7]，隨后根據(jù)美國聯(lián)邦航空局（FAA）的8130.34條令取得了可選有人駕駛飛行器試驗適航性認證。

有人駕駛直升機通過OPV系統(tǒng)將人與機器進行初步融合，發(fā)揮人和機器各自最擅長的優(yōu)勢。飛控系統(tǒng)運行速度快，可以處理執(zhí)行較為底層的事務(wù)性操縱任務(wù)且精度較高，如保持高精度懸停、遠程機動等非常消耗飛行員精力，利用有人自主模式非常容易完成且精度高。飛行員作為任務(wù)管理者在更高層面監(jiān)督任務(wù)執(zhí)行，專注于作戰(zhàn)任務(wù)而非飛行任務(wù)，執(zhí)行任務(wù)規(guī)劃、戰(zhàn)術(shù)決策等機器不能很好處理的復(fù)雜問題，將飛行員從繁瑣的事務(wù)性操作中解放出來。另一方面有效降低了直升機編隊對于高級飛行員的需求，為直升機機組配置變革提供了可能，如遇部隊戰(zhàn)情緊急、機組人員短缺的特殊情況，也可以臨時采用單人機組配置與“虛擬飛行員”配合以執(zhí)行特定任務(wù)。

2.2智能算法的應(yīng)用有待加強

高自主飛行控制能力是任務(wù)執(zhí)行的根本條件之一，直升機通過可選有人駕駛飛行器控制系統(tǒng)可具備預(yù)定航路飛行、自動起飛、自動返航和降落的基本能力，但作戰(zhàn)中更需要障礙規(guī)避、故障隔離/重構(gòu)、火飛發(fā)一體控制、自動航路規(guī)劃及重規(guī)劃等智能控制能力，保障任務(wù)順利進行。

與人工智能爆發(fā)式發(fā)展相對應(yīng)的是軍事智能化，已成為世界軍事強國爭奪的新高地，美軍認為人工智能技術(shù)的應(yīng)用在減少戰(zhàn)爭資源投入的同時能大幅提高作戰(zhàn)效率，自2013年開始發(fā)布了多項人工智能計劃，加緊了對人工智能的開發(fā)，人工智能飛行員阿爾法AI多次擊敗了美國空軍戰(zhàn)術(shù)專家駕駛的模擬戰(zhàn)機；俄羅斯批準執(zhí)行了《2025年前發(fā)展軍事科學綜合體構(gòu)想》，強調(diào)人工智能系統(tǒng)不久將成為決勝未來戰(zhàn)場的關(guān)鍵因素，提出要注重武器裝備的智能化升級改造；日本將人工智能劃為國家增長戰(zhàn)略的優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域等。

目前，國內(nèi)外深度學習、AI芯片、大數(shù)據(jù)分析等人工智能技術(shù)發(fā)展迅猛，先進算法和芯片可顯著提升任務(wù)規(guī)劃、綜合態(tài)勢判斷、協(xié)同指揮、輔助決策、人機交互等方面的能力[8-10]。目前，國外直升機系統(tǒng)智能化技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了基于機器視覺、深度學習的綜合輔助決策階段，對輔助駕駛員解決直升機在復(fù)雜環(huán)境下的威脅感知與規(guī)避、盲降等問題發(fā)揮著越來越重要的作用，但距離完全由機器執(zhí)行如無人化作戰(zhàn)等復(fù)雜任務(wù)仍有較大差距[10-14]。

3發(fā)展展望

美軍認為，人工智能未來會像航空航天、核、網(wǎng)絡(luò)、生物技術(shù)一樣，成為深刻影響國家安全的革命性技術(shù)。事實上，目前人工智能已顯現(xiàn)出巨大的軍事應(yīng)用前景和影響力，成為大國競相爭奪的戰(zhàn)略前沿。美國于2015年提出人工智能是“第三次抵消戰(zhàn)略”關(guān)注重點，并明確自主學習、輔助決策、增強人體機能、人機編組和網(wǎng)絡(luò)化半自主武器是美軍人工智能五大發(fā)展方向，同時積極探索人工智能技術(shù)在情報、網(wǎng)電對抗、自主系統(tǒng)、人機協(xié)同/無人集群等領(lǐng)域的軍事應(yīng)用。

在直升機領(lǐng)域，呈現(xiàn)直升機單體智能和有人/無人群體智能迭代發(fā)展、齊頭并進局面。目前，國外發(fā)展直升機系統(tǒng)智能化技術(shù)的同時，通過研發(fā)大規(guī)模有人/無人直升機群體作戰(zhàn)，開發(fā)直升機作戰(zhàn)智能體系，形成大規(guī)模直升機群體作戰(zhàn)智能認知決策體系，目的是加快了直升機裝備作戰(zhàn)過程中“觀察（O）-判斷（O）-決策（D）-指示（A）”循環(huán)過程。如俄羅斯宣布的“戰(zhàn)斗直升機機隊長遠計劃”主要目的是用人工智能嵌入直升機裝備體系，并以大規(guī)模直升機群體作戰(zhàn)為戰(zhàn)術(shù)，實現(xiàn)更優(yōu)質(zhì)、高效、順暢的人機融合，提升戰(zhàn)場決策效率。但智能技術(shù)在直升機控制系統(tǒng)以及機載設(shè)備中尚未得到廣泛的應(yīng)用，未來可能在以下方面取得進展。

3.1混合增強智能操控技術(shù)

直升機對操縱動作的反應(yīng)比一般飛機遲緩，實際任務(wù)環(huán)境大量的不確定性高，而目前在航空飛行控制領(lǐng)域，高度智能化的控制系統(tǒng)尚未成熟，導致了目前的控制系統(tǒng)并不能完全取代飛行員的作用，同時在復(fù)雜未知動態(tài)對抗環(huán)境下，以及操控規(guī)則不完備情形下，可能無法快速完成正確的操縱決策，短期內(nèi)針對智能飛行控制技術(shù)的研究可以將重點著眼于人機混合增強智能操控技術(shù)，通過人和機器的混合增強來補充智能化程度的不足，將人的作用或者人的認知模型以及學習系統(tǒng)加入到直升機自主操縱系統(tǒng)中，形成飛行員和強化學習飛控系統(tǒng)融合的混合增強智能操控系統(tǒng)，如圖1所示。

人類面對多源、復(fù)雜、異構(gòu)的戰(zhàn)場態(tài)勢數(shù)據(jù)，其認知能力和決策能力，相對于機器來說是高級智能，機器在作戰(zhàn)過程中通過人類優(yōu)化的操控決策來進行持續(xù)增強學習，將能形成更優(yōu)的機器智能操控和決策。而在另一方面，由于在直升機特情狀態(tài)或作戰(zhàn)狀態(tài)下，飛行員需要處理海量的外部數(shù)據(jù)，應(yīng)對瞬息萬變的戰(zhàn)場態(tài)勢，其生理如果達到極限或心理方面的任何異常，都會造成認知速度和處理能力跟不上戰(zhàn)場數(shù)據(jù)增長和變化的節(jié)奏，引發(fā)直升機操縱安全問題，降低作戰(zhàn)效能。通過特情和作戰(zhàn)訓練場景的設(shè)計，混合增強智能操控技術(shù)對飛行員和強化學習飛控系統(tǒng)進行互相增強學習，將能同步提高飛行員的不同狀態(tài)下的操控水平和直升機自主控制的智能水平。使用機器智能增強訓練飛行員，同時輔助飛行員實時、高效、科學地進行操縱和決策，通過機器智能輔助降低反應(yīng)時間，提高執(zhí)行任務(wù)準確度。

3.2智能自主決策技術(shù)

感知態(tài)勢和對手威脅，并做出決策與判斷是進行飛行操縱的基礎(chǔ)的前提，飛行控制系統(tǒng)則是決策之后的執(zhí)行機構(gòu)。自主決策系統(tǒng)是廣義的控制系統(tǒng)，包含了飛行控制系統(tǒng)，是智能控制系統(tǒng)發(fā)展的終極目標。相對之下，無人直升機的發(fā)展對于智能自主決策技術(shù)的需求更為強烈。

實現(xiàn)自主決策的前提是分類先進智能算法（如自主深度學習、類腦計算等）的應(yīng)用，“算法戰(zhàn)”成為奪取未來戰(zhàn)場主動權(quán)、取得未戰(zhàn)先勝的重要途徑。智能自主決策是對信息整合加工，并產(chǎn)生選擇意圖的信息處理過程，運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、對策論等方法自主或輔助飛行員進行分析、規(guī)劃、推演、評估、選擇，達到有效增強決策的全面性和時效性目的的信息處理技術(shù)。直升機智能決策技術(shù)將針對直升機環(huán)境復(fù)雜、任務(wù)多樣等特點，通過構(gòu)建典型場景下的專家?guī)臁⑷蝿?wù)樣本庫、數(shù)據(jù)驅(qū)動的任務(wù)規(guī)劃機制等，實現(xiàn)智能化任務(wù)規(guī)劃。俄羅斯開展研制直升機人工智能自動攻擊系統(tǒng)，據(jù)透露，俄軍列裝的米-28N武裝直升機將配備先進的人工智能自動攻擊系統(tǒng)，可無需飛行員控制自主識別和攻擊目標。這種機載偵察攻擊系統(tǒng)名為“電子武器操作員”，能夠自動分析地面目標并進行敵我識別，確認目標后自行選擇和發(fā)射合適的機載武器實施打擊。該系統(tǒng)同時保留了“人在回路”的能力，飛行員可隨時中斷人工智能系統(tǒng)的任務(wù)進程，確保其使用武器系統(tǒng)的最終決定權(quán)[15-17]。

隨著單平臺自主能力的提升，無人集群將成為重要發(fā)展方向，自主集群協(xié)同控制、直升機與陸海空天異構(gòu)平臺協(xié)同控制技術(shù)將實現(xiàn)多種不同性能的作戰(zhàn)平臺靈活組合，實現(xiàn)目標探測、干擾、打擊和打擊效果評估的一體化作戰(zhàn)，大大提升作戰(zhàn)能力。小精靈集群無人機系統(tǒng)如圖2所示。

隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，無人系統(tǒng)逐步具備感知、調(diào)整、決策和執(zhí)行能力，能夠針對戰(zhàn)場環(huán)境變化自動調(diào)整和選擇行動方式，從自主“執(zhí)行”任務(wù)向自主“完成”任務(wù)轉(zhuǎn)變。

4結(jié)束語

直升機飛行控制從改善飛行品質(zhì)和減輕飛行員工作負荷的單一功能逐漸向改善和提高直升機平臺性能、提高任務(wù)效率方向發(fā)展[18-19]。本文從直升機的使用需求出發(fā)，論證了開展智能自主控制技術(shù)研究的必要性，對該技術(shù)的最新發(fā)展及在智能算法方面的應(yīng)用進行了分析，結(jié)合智能算法的研究進展，從近期和遠期對智能自主飛行控制技術(shù)的發(fā)展進行了展望，從混合增強智能操控技術(shù)入手，逐步實現(xiàn)更加廣義的自主控制（暨自主決策技術(shù)）。

本文是從未來發(fā)展趨勢和思路的角度提出了初步的想法，現(xiàn)階段應(yīng)盡快開展相應(yīng)的理論算法研究和技術(shù)集成驗證。

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作者簡介

呂少杰（1983-）男，博士，工程師。主要研究方向：直升機飛行力學、航空裝備總體論證等。

Tel：010-66857553E-mail：aili-008@163.com

Research on the Development of Military Helicopter Intelligent and Autonomous Control Technology

Lyu Shaojie1，*，Yang Yan2，Han Zhenfei1

1. Army Aviation Research Institute，Beijing 100121，China

2. Aviation Equipment Bureau，Army Equipment Department，Beijing 100012，China

Abstract： Military helicopters perform combat mission at low-altitude and ultralow-altitude， with the coontinous escalation of the battlefield threats and the increasing complex of the low-altitude， the demand for helicopter mission performance continues to escalate.First， the military helicopters use requirements on intelligent control technology were analyzed， combined with technical characteristics of filght control system， the necessity of developing intelligent and autonomous flight control technology was demonstated， the current dynamic and intelligent application of flight control technology were analyzed. Finally， considering the current technical foundation， distinguishing short-term and long-term goals， the development of intelligent and autonomous control technology was prospected， preliminary ideas was put forward， the research result can provide consideration for the subsequent technical development.

Key Words： helicopter； flight control； artificial intelligence； dual mode control； man-machine interaction