基于外觀特征的無人機(jī)行為意圖分類方法研究*

任沛閣，郝 鵬，唐 立

（1.國家空域管理中心，北京100094；2.西華大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，四川 成都610000）

1916年世界上第一架無人機(jī)在美國試飛成功，此后，無人機(jī)被廣泛運(yùn)用于國內(nèi)外的軍事領(lǐng)域[1]。20世紀(jì)80年代，無人機(jī)D-4的出現(xiàn)標(biāo)志著我國無人機(jī)開始向民用方向發(fā)展。在上世紀(jì)90年代后，民營企業(yè)逐步開始民用無人機(jī)的研發(fā)制造，隨后無人機(jī)被逐步應(yīng)用于物探、災(zāi)害監(jiān)測等領(lǐng)域。

隨著低空空域的改革，無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展更加迅速，無人機(jī)被越來越多領(lǐng)域所使用，很大程度上提高了任務(wù)執(zhí)行的效率和成功率，同時(shí)大大降低任務(wù)執(zhí)行的成本。據(jù)研究表明，為了適應(yīng)多樣的任務(wù)類型，無人機(jī)一般根據(jù)任務(wù)特點(diǎn)，搭載相應(yīng)的設(shè)備[2]。同時(shí)，根據(jù)任務(wù)類型特點(diǎn)的不同，無人機(jī)的運(yùn)行航跡和姿態(tài)也具有一定的差異[3]。隨著無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的增加，無人機(jī)攜帶的設(shè)備和運(yùn)動特點(diǎn)的多樣性逐步增大，大大增加了無人機(jī)監(jiān)管的難度。

為了進(jìn)一步加強(qiáng)無人機(jī)的監(jiān)管，目前行業(yè)內(nèi)一般基于無人機(jī)的大小、航程和運(yùn)行高度進(jìn)行分類。但是，上述分類方式無法對無人機(jī)的行為意圖進(jìn)行判斷，不能準(zhǔn)確作出相應(yīng)的應(yīng)對措施。因此，為了更好的對無人機(jī)進(jìn)行監(jiān)管，建立無人機(jī)行為意圖分類方法是必不可少的環(huán)節(jié)。但是，國內(nèi)外在無人機(jī)行為意圖分類方面的研究較少。因此，本文從軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域?qū)o人機(jī)的行為意圖進(jìn)行分析，并結(jié)合無人機(jī)本身攜帶設(shè)備的差異對無人機(jī)行為意圖進(jìn)行分類。

1 無人機(jī)行為意圖分類方法

1.1 偵察無人機(jī)

在軍事上，偵察類型常見的無人機(jī)類型主要包括：電子偵察、察打一體、隱身偵察等三類[4-5]。電子偵察無人機(jī)一般搭載電子對抗偵察系統(tǒng)、通信偵察系統(tǒng)、合成孔徑雷達(dá)、紅外相機(jī)；察打一體無人機(jī)一般同時(shí)攜帶高清攝像機(jī)、雷達(dá)、攻擊型武器等[6]；隱身偵察機(jī)一般集偵察設(shè)備和復(fù)合材料、雷達(dá)吸波材料和低噪聲發(fā)動機(jī)為一體，在機(jī)身表面噴涂能夠吸收紅外光的涂料，減小機(jī)身表面的縫隙，減少雷達(dá)反射面[7-9]。

1.2 電子戰(zhàn)無人機(jī)

在軍事上，電子戰(zhàn)常見的無人機(jī)類型主要包括：電子干擾、反輻射、誘餌等無人機(jī)。電子干擾無人機(jī)一般搭載偵察雷達(dá)、阻塞式干擾機(jī)；反輻射無人機(jī)一般搭載反輻射導(dǎo)彈、探測設(shè)備、攻擊型武器；誘餌無人機(jī)一般裝載有源雷達(dá)轉(zhuǎn)發(fā)器、無源箔條、角反射器[10]。

1.3 攻擊型無人機(jī)

在軍事上，攻擊型無人機(jī)主要包括：靶機(jī)、自殺型無人機(jī)、無人機(jī)戰(zhàn)斗機(jī)等。其中，靶機(jī)一般不搭載多余的實(shí)質(zhì)性的設(shè)備，配置雙通道數(shù)字式飛控，能攜帶典型的目標(biāo)增強(qiáng)器和誘餌彈；自殺型無人機(jī)一般搭載高精度探測系統(tǒng)和自動飛行系統(tǒng)；無人戰(zhàn)斗機(jī)一般攜帶攻擊型武器，并且具有較大的載荷。

根據(jù)上述分析，總結(jié)軍用無人機(jī)的分類及主要特征，如圖1。

圖1 軍用無人機(jī)的行為模式及外觀特征

2 民用無人機(jī)行為意圖分類方法

2.1 監(jiān)測勘測無人機(jī)

監(jiān)測勘測無人機(jī)一般攜帶高清數(shù)碼攝像機(jī)、照相機(jī)、GPS定位系統(tǒng)、雷達(dá)通信偵察設(shè)備、雷達(dá)成像系統(tǒng)。

2.2 應(yīng)急救援無人機(jī)

目前無人機(jī)在應(yīng)急救援中的應(yīng)用，主要包括：應(yīng)急通信（中繼）、應(yīng)急照明、消防[11-12]。其中，應(yīng)急通信無人機(jī)一般搭載基站設(shè)備、基站天線、機(jī)地連接設(shè)備無線收發(fā)器、通信傳輸模塊，且一般為系留無人機(jī)；應(yīng)急照明無人機(jī)一般搭載大功率的照明設(shè)備，且一般為系留無人機(jī)；消防無人機(jī)一般以旋翼式無人機(jī)為主，攜帶攝像機(jī)和紅外熱成像儀、滅火設(shè)備、載荷吊艙、高壓噴射器等[13]。

2.3 運(yùn)輸無人機(jī)

執(zhí)行運(yùn)輸任務(wù)的無人機(jī)，一般具有載荷吊艙。長途運(yùn)輸無人機(jī)一般為中大型固定翼無人機(jī)；近距離運(yùn)輸小件運(yùn)輸?shù)臒o人機(jī)，一般為旋翼式無人機(jī)[14]。

2.4 農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)

執(zhí)行農(nóng)業(yè)植保的無人機(jī)，一般具有噴射狀裝置和藥箱，主要以旋翼式和固定翼為主。

2.5 航拍測繪無人機(jī)

執(zhí)行航拍測繪任務(wù)的無人機(jī)一般攜帶高分辨率CCD數(shù)碼相機(jī)、輕型光學(xué)相機(jī)、紅外掃描儀，激光掃描儀、磁測儀等獲取信息。

根據(jù)上述分析，總結(jié)民用無人機(jī)的分類及主要特征狀態(tài)，如圖2。

3 數(shù)據(jù)庫建立

通過上述研究，執(zhí)行不同任務(wù)的無人機(jī)所攜帶的設(shè)備具有一定區(qū)別。同時(shí)，執(zhí)行某類任務(wù)的無人機(jī)會攜帶若干個(gè)設(shè)備。因此，通過對無人機(jī)所攜帶設(shè)備特征的提取，并根據(jù)無人機(jī)所攜帶的設(shè)備進(jìn)行分類和組合分析。

軍用無人機(jī)所攜帶的設(shè)備主要有：雷達(dá)、高清攝像機(jī)、攻擊型武器、復(fù)合材料、雷達(dá)吸波材料、紅外光吸收涂料、干擾機(jī)、目標(biāo)增強(qiáng)器、反輻射導(dǎo)彈、角反射器、彈倉等裝置和設(shè)備，將設(shè)備以一定概率的形式與軍用無人機(jī)用途進(jìn)行對應(yīng)，如表1。

同理，民用無人機(jī)攜帶設(shè)備行為模式概率分布如表2所示。

表1和表2中，根據(jù)無人機(jī)的關(guān)鍵外觀特征，建立每個(gè)設(shè)備初始的行為意圖影響概率。對于未知無人機(jī)，通過表中的初始概率判斷無人機(jī)的行為模式：

其中，i為無人機(jī)的行為模式，pij為無人機(jī)攜帶設(shè)備用途概率，j為設(shè)備。

圖2 民用無人機(jī)的行為模式及外觀特征

表1 軍用無人機(jī)攜帶設(shè)備行為模式動態(tài)概率分布表

表2 民用無人機(jī)攜帶設(shè)備行為模式動態(tài)概率分布表

對于已知無人機(jī)，通過對無人機(jī)所攜帶設(shè)備的提取，并根據(jù)公式（1）判別無人機(jī)的行為模式，并將判定結(jié)果與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對比。若存在一定的誤差，則對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的動態(tài)更新，保證準(zhǔn)確率。

4 結(jié)論

本篇論文從無人機(jī)的外觀特征和行為特點(diǎn)進(jìn)行研究，建立無人機(jī)行為模式動態(tài)數(shù)據(jù)庫。研究結(jié)果可加強(qiáng)對間諜無人機(jī)的識別，同時(shí)對敵方無人機(jī)攻擊進(jìn)行提前防空預(yù)警，進(jìn)一步促進(jìn)我國國防科技的發(fā)展。加強(qiáng)我軍無人機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的管理，促進(jìn)我國無人機(jī)作戰(zhàn)能力的提高，增強(qiáng)無人機(jī)的軍事打擊能力。