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智能无人系统手艺应用与生长趋势

行业动态  时间 : 2023-08-03

泉源：《中国舰船研究》

作者：王耀南 安果维 王传成 莫洋 缪志强 曾凯

随着前沿科技加速应用于军事领域 ，智能无人系统成为现代战争的主要组成部分 ，天下主要军事强国均高度重视智能无人系统手艺在军事领域的应用 ，在未来 ，智能无人系统将深刻影响作战方法 ，倾覆战争规则。而智能无人系统作为前沿科学手艺（如人工智能、智能机械人、智能感知、智能盘算等）的集大成者 ，其代表了一个国家科技实力的最高生长水平。以是 ，在智能无人辖档挽域开展研究能极大地推动现有军事、民生领域的生长。
目今 ，无人系统装备已在军事冲突中崭露头角 ，例如 ，在土耳其与叙利亚的冲突中 ，土耳其使用空戎衣备的安卡-S型长航时无人机和巴拉克塔TB-2察打一体型无人机 ，对叙利亚政府军举行了攻击；俄罗斯国防部也曾宣布叙利亚境内的武装分子使用载有爆炸物的无人机对其军事基地睁开了集群式攻击；2020年 ，美国使用一架MQ-9“收割者”无人机袭击了伊朗高级军事指挥官并使其就地毙命。无人作战正在到来 ，智能无人系统作为未来战场的要害利器 ，将决议整个战争的胜利归属。

生长智能无人系统不但会推动现有军事科技的升级与前进 ，还将发动民用科技的智慧性生长 ，包括智能交通系统、智慧家居系统、智能制造系统与智能医疗系统等。为了越发科学、快速地生长智能无人系统 ，各科技大国纷纷出台了一系列有关智能无人系统生长的妄想与蹊径 ，力争在智能无人辖档挽域的生长中抢得先机 ，争取制高点。相关的有美国的自主无人系统综合蹊径图、俄罗斯的国家武器装备妄想、英国的国防立异手艺框架、中国的新一代人工智能生长妄想以及日本的中恒久手艺妄想等。
近年来 ，从空中到空间、从陆地到海洋 ，种种类型的智能无人系统大宗涌现 ，天下各强国已经逐步将智能无人系统安排到军队中 ，并且在一些地区冲突、反恐战场中 ，智能无人系统的要害作用日益增添。因此 ，本文将重点从未来战场的军事需求出发 ，基于未来战时势临的现实重大情形的挑战 ，剖析智能无人系统生长与应用所需的要害手艺 ，并从军事角度剖析个体增强与集群增强要害手艺 ，叙述智能无人系统的生长趋势。

一、海内外研究现状

智能无人系统看法才提出不久 ，现在其研究尚处于初级阶段 ，国际上也未形成统一的界说 ，暂且将其界说为：由无人平台及若干辅助部分组成 ，具有感知、交互和学习能力 ，并且能够基于知识举行自主推理、自主决议 ，从而告竣目的的有机整体。智能无人系统依据其作用的空间规模 ，可以划分为陆地无人系统、空中无人系统和海洋无人系统三大部分。其中 ，陆地无人系统主要包括侦探无人车、运输无人车、作战无人车、破障无人车、排爆无人车、无人车编队与指挥系统等；空中无人系统主要包括侦探无人机、作战无人机、后勤运输无人机以及无人机编队等；海洋无人系统主要包括侦探无人艇、作战无人艇、后勤运输无人艇、巡逻搜救无人艇、侦探无人潜航器、作战无人潜航器以及岸基支持系统等。本节将从以上3个部分来对海内外智能无人系统的研究现状举行叙述。

1.外洋智能无人系统研究现状

（1）陆地无人系统

陆地无人系统主要用于情报搜集、侦探巡逻、扫雷除障、火力攻击、战场救援、后勤运输、通讯中继以及电子滋扰等领域 ，随着陆地无人系统在战斗中的优势愈发凸显 ，针对其的研究愈发受到各国的普遍关注。
美国曾于1993年11月启动“团结战术无人车”项目 ，也即“角斗士”无人作战平台项目的前身。2006年 ，美国完成了“角斗士”无人作战平台全系统的设计 ，并于2007年正式装备水师陆战队。“角斗士”战术无人作战平台是天下上第1款多用途作战无人平台 ，搭载的传感器系统有日/夜摄像机、GPS定位系统以及声学与激光搜索系统等 ，并装备有机枪、冲锋枪、催泪弹、偷袭系统、生化武器探测系统等 ，可以在差别的天气和地形下执行侦探、核生化武器探测、突破障碍、反偷袭手、火力攻击与直接射击等使命。
“角斗士”无人作战平台搭载有高无邪与高生涯底盘 ，针对该平台 ，还开发了便携式手持控制系统 ，并围绕该控制系统的抗滋扰性、网络互操作性、小型化与使用轻盈化等手艺问题完成了一系列开发事情。但因“角斗士”无人作战平台的装甲防护能力较弱 ，执行使命的隐藏性差 ，导致其远程侦探与控制系统面临的滋扰较多。除别的 ，美国陆军也服役了一些其他的陆地无人系统 ，如“蝎子”机械人、“魔爪”机械人等。2017年 ，美国陆军制订了《机械人与自主系统（RAS）战略》 ，为开展无人作战能力建设提供了顶层妄想。图1所示为美国陆地无人系统。

图1 美国陆地无人系统

以色列、俄罗斯、英国和德国也相继举行了陆地无人系统的研制事情 ，并研发出了一系列先进的产品 ，产品列表如表1所示。例如 ，以色列研发的“守护者”系列自主无人车可以团结搭载的传感器与融合算法 ，自主侦探与识别危险障碍 ，执行巡逻、监视与小规模的火力攻击使命；俄罗斯研制的MARSA-800无人车可以执行运输和后勤包管以及跟踪监视等使命 ，并可以在执行使命的历程中实现自主路径妄想 ，规避障碍 ，该无人车已在叙利亚战场举行安排。英国和德国对陆地无人系统的研究也开展得较早 ，英国于上世纪60年月就推出了手推车排爆机械人 ，厥后又推出HarrisT7触觉反响机械人 ，用于执行拆弹、排爆等危险使命；德国莱茵金属公司开发的“使命巨匠”地面武装侦探无人车主要用于执行战术监视、危险物检测、医疗后送、通讯中继以及火力支援使命。

表1  各国陆地无人系统

（2）空中无人系统

空中无人系统主要以单个无人机平台和无人机集群为主。无人机由于具有视野坦荡、航行自由、装备搭载性好等优点 ，被普遍应用于军事领域 ，并在近年来的军事冲突中起到了极大的作用�？罩形奕讼低车闹饕πОǎ呵楸ㄋ鸭⒄焯郊嗍印⒂斩谢⒛康母佟⒄绞豕セ饔肟罩芯仍�。
美国空军研究实验室于2000年提出了针对无人机自主作战的看法 ，并对无人机的自主水平举行了量化界说 ，制订了生长妄想。无人机自主水平量化内容与生长阶段如图2所示。

图2  自主控制水平与无人机自主化趋势

2003年 ，美国将空军和水师的无人作战飞机系统项目合并 ，启动了“团结无人作战系统”（J-UCAS）项目 ，最先了对无人作战飞机X-47B的研究。2006年 ，美水师提出了“水师无人作战航空系统”(N-UCAS)项目 ，旨在为航母舰载机联队引入无人作战飞机 ，并继续对X-47B开展研究。在2012—2014年间 ，又多次完成了航母弹射、着舰、触舰复飞等试验 ，并于2015年完成了自主空中加油试验。X-47B攻击型无人机是一款可以自主使用、隐身性能好且适用于陆基和舰载的无人作战飞机 ，具备高航程和高航时的特点 ，装备有照射雷达、光电制导系统和孔径雷达等先进的传感器 ，主要功效包括情报侦探、目的追踪、电子战滋扰、火力攻击等。美国研制的其他空中无人系统 ，如“全球鹰”、“捕食者”、“猎人”和“大乌鸦”等也已在军队服役 ，如图3所示。
以色列研制的“哈比”无人机配备有反雷达感应器、光电制导系统和导弹 ，可自主攻击敌方雷达系统 ，如图3所示。

图3  各国空中无人系统

单个空中无人系统在执行使命时容易被滋扰和攻击从而导致使命失败 ，而空中无人系统集群则可以填补这一缺陷 ，更洪流平地施展空中无人系统的优势。美国国防先进研究妄想局（DARPA）针对空中无人系统集群先后启动了“小精灵”低本钱无人机项目、低本钱无人机集群项目、“山鹑”（Perdix）微型无人机机载高速发射演示项目、进攻性蜂群使能战术（OFFSET）项目等 ，通过开发和测试用于无人系统集群的系统架构、通讯系统以及漫衍式控制算法 ，生长了无人机集群自主控制系统 ，并使用人工智能、态势感知、虚拟现实及增强现实等前沿科学手艺 ，提升了空中无人系统集群在战场上的综合作战能力。

（3）海洋无人系统

海洋无人系统包括水面无人系统和水下无人系统2类。其中 ，水面无人系统主要指水面无人艇（以下简称“无人艇”） ，主要用于执行海上搜救、侦探监视、火力攻击、巡逻安防、电子滋扰、后勤包管和诱饵靶船等使命；水下无人系统主要指无人潜航器 ，与载人潜艇相比 ，其具有无职员伤亡、高隐藏性与高自主性等优点 ，主要用于执行情报搜集、目的监测、战力威慑火力攻击等使命。2018年 ，美水师宣布了《水师部无人系统战略蹊径图》 ，2019年 ，又宣布了《水师人工智能框架》 ，为水师作战与海洋无人系统的生长提供了蹊径妄想与指南。
在水面无人系统方面 ，美国提出了“美国先进看法手艺演示项目”（ACTD） ，其主要使命之一即是开展“斯巴达侦探兵”无人艇的研究。该项目已于2007年完成 ，并在伊拉克战区举行了试验。“斯巴达侦探兵”无人艇搭载有无人驾驶系统与视距/超视距通讯系统 ，并搭载有电光/红外搜索转塔、高清摄像机、导航雷达、水面搜索雷达、全球定位系统吸收机等先进传感器 ，以及舰炮、反舰导弹及反潜感应器等武器 ，主要用于执行情报搜集、目的监视、信息侦探、反水雷和海上安防等使命 ，具有一定的自主能力。美国研制的“海上猎人”无人艇搭载有声呐与光电传感器 ，以及近距、远程雷达探测系统与可扩展�？榛畔低� ，主要用于执行识别、监测可疑目的 ，指导火力攻击等使命。美国海洋无人系统如图4所示。以色列研制的“�；ふ�”无人艇主要用于执行情报侦探、可疑目的区分、战术阻挡、电子滋扰和准确攻击等使命（图4）。俄罗斯研制的无人水面侦探艇可以在母舰的指挥下执行快速巡逻使命并检查、监视指定区域 ，征采情报。

图4  各国海洋无人系统

在水下无人系统方面 ，俄罗斯研制的核动力无人潜航器“波塞冬” ，可携带通例以及核弹头 ，执行侦探与战略核攻击使命 ，如图4所示。美国研制的“刀鱼”无人潜航器 ，可以通过发出低频电磁波来扫描可疑物体 ，征采情报；研制的“金枪鱼”-9无人潜航器可携带多种标准载荷 ，可用来执行近�？碧健⒎此住⒓嗍雍驼焯剑↖SR）等使命。

2.海内智能无人系统研究现状

近年来 ，我国军用智能无人系统生长迅速 ，本文将从陆地无人系统、空中无人系统和海洋无人系统3个方面举行叙述。
在陆地无人系统方面 ，国防科技大学与三一重工股份有限公司团结开发了“沙漠苍狼”陆地无人轻型平台 ，其以履带为动力 ，搭载榴弹发射器和机枪等武器系统 ，可以用来执行后勤运输、伤员运送、侦探监测、火力攻击等使命。山河智能集团研制的“龙马”系列无人车 ，具有强盛的运输与越障能力。南京理工大学研制的“神行-III”军用地面智能机械人系统 ，具有较强的自主导航与情报侦探能力。国防科技大学与哈尔滨工业大学等单位团结研制的无人驾驶核化侦探车 ，具有较高的无邪能力与装甲防护能力 ，搭载的武器系统可以执行火力攻击并具备一定的自主能力。
在空中无人系统方面 ，成都飞机工业集团研制的“翼龙”系列无人机具有全自主水平起降能力、巡航航行能力、逍遥协同能力与地面接力控制能力等 ，搭载有多型光电/电子侦探装备以及小型逍遥准确攻击武器 ，可以执行情报侦探、目的跟踪、火力攻击等使命。我国研制的“彩虹”系列无人机具有中空长航时的航行能力 ，可以搭载电子滋扰系统与多种武器系统 ，能执行火力攻击、情报侦探、通讯滋扰、电波滋扰等使命；研制的攻击11型无人机具有极强的隐身能力 ，可以搭载准确的制导导弹 ，用于执行对地攻击使命。我国空中无人系统如图5所示。

图5  我国空中无人系统

在海洋无人系统的水面无人系统方面 ，由哈尔滨工程大学牵头研制的“天行一号”无人艇 ，接纳油电混淆动力 ，最高航速凌驾92.6km/h ，最大航程1000km ，为现在天下上最快的无人艇。该艇融合了自主感知、智能控制、自主决议等手艺 ，可以实现对周围重大情形的快速态势信息认知与危险规避 ，可以用于执行气象信息监测、地貌测绘、警戒巡逻、情报侦探、火力攻击等使命。由上海大学研制的“精海”系列无人艇具有半自主与全自主的作业能力 ，可以执行目的侦探、海洋测绘、水质检测等使命。由上海海事大学研制的“海腾01”号智能高速无人艇 ，搭载有毫米波雷达、激光雷达、前视声呐等传感器 ，可以执行可疑目的监视、水下丈量、海上搜救等使命 ，具备全自主与半自主航行能力。江苏自动化研究所研发的JARI智能无人作战艇 ，搭载有光电探测器、周围相控阵等探测装备 ，同时 ，还搭载有导弹鱼雷等武器系统 ，可以执行情报搜集、敌情侦探、精准火力攻击等使命。由珠海云洲智能科技有限公司等单位团结研制的“瞭望者Ⅱ”无人导弹艇 ，搭载有全自主无人驾驶系统及导弹等武器 ，可以执行敌情侦探、情报搜集、精准火力攻击等使命。我国海洋无人系统如图6所示。

图6  我国海洋无人系统

在海洋无人系统的水下无人系统方面 ，西北工业大学研制的“妖怪鱼”无人潜航器为仿生蝠鲼无人潜水器 ，已完成了1025m的深海测试。哈尔滨工程大学研制的“悟空”号全海深无人潜航器 ，乐成完成了10896m的深潜和自主作业试验。我国研制的“潜龙一号”、“海马”号等深海潜水器均已乐成完成深海探测使命。

3.手艺现状总结

现在 ，智能无人系统已逐步应用于军事应用的各个领域 ，且随着前沿科学手艺的生长 ，智能无人系统在军事领域的应用将日益增多。但在智能无人系统的使用方面 ，尚未完全实现自主化与智能化。目今 ，智能无人系统手艺在军事领域的应用现状主要分为以下3个部分：
①从作战使命的角度：作战使命从执行简朴的侦探监视向主流对抗作战偏向生长；战场对抗由人人对抗向人机对抗 ，再向机机对抗方法转变；应用情形由结构化情形、实验室情形向真实战场情形转变 ，并在未来逐步生长成真真相形与虚拟现实相团结的增强现真相形。
②从指挥控制的角度：控制方法从单机简朴�？亍⒊炭胤椒ㄏ蛉嘶悄苋诤辖换タ刂破蛏� ，不过尚未完全实现自主控制；系统结构由专用化、简单化向通用化、标准化、互操作性偏向生长。
③从感知决议的角度：决议方法由简单依赖人来决议向以人为主 ，人机智能交互决议为辅的方法转变；感知方法由简单依赖传感器获取特征信息 ，由人来判断目的属性向基于人工智能的目的识别、特征信息获取的方法转变。

二、智能无人系统要害手艺

智能无人系统作为多学科领域的集大成者 ，涉及的手艺众多 ，执行的使命多样 ，且应用场景重大多变。例如 ，空中情形多雨、多雾 ，能见度低 ，有大风、光照滋扰等；陆地情形地形重大 ，有障碍物遮挡滋扰和危险污染区域等；海上情形有风波滋扰、船舶摇晃、目的不显著、海岸线不规则等。差别的情形及用途给智能无人系统手艺研究和性能的施展提出了重大挑战。为顺应受限的多变情形 ，可将智能无人系统要害手艺归纳为重大情形下自主感知与明确手艺、多场景自主手艺学习与智能控制手艺、多使命集群协同手艺、人机交互与人机融合手艺、决议妄想手艺与导航定位手艺 ，本节将主要以海洋无人系统为案例对智能无人系统要害手艺举行详细叙述。

1.重大情形下自主感知与明确手艺

在重大情形下对情形举行自主感知与场景明确是智能无人系统能够自主作业并形成作战能力的条件 ，将直接影响使命能否乐成完成。针对现真相形的重大多变 ，尤其是海面情形的风波滋扰及船舶摇晃等难题 ，智能无人系统需要完成目的自主选择感知 ，获取多模态信息 ，并对信息笼统完整明确等目的。因此 ，重大情形下的智能无人系统情形自主感知与明确手艺需突破多模态传感器融合自主感知手艺 ，以及重大场景目的识别与明确手艺。

（1）多模态传感融合自主感知手艺

现在 ，智能无人系统搭载的信息获取传感器主要包括导航雷达、毫米波雷达、激光雷达、光电载荷等。简单传感器无法直接获取高精度、浓密的场景三维信息 ，需研究多传感器融合的情形自主感知手艺 ，从而为场景明确提供支持。多传感器融合是将种种传感器举行多条理、多空间的信息互补和优化组合处置惩罚 ，最终爆发对视察情形的一致性诠释。在此历程中 ，要充分使用多源数据举行合理的支配与使用 ，而信息融合的最终目的则是基于各传感器获得的疏散视察信息 ，通过对信息多级别、多方面组合导出更多有用的信息。通过使用多个传感器相互协同操作的优势 ，综合处置惩罚所有信息源的数据 ，从而提高整个传感器系统的智能化。海洋自然情形相比陆地与空中情形更为重大 ，面临船舶的强烈摇晃、风波滋扰、光照不均、目的不显著等特殊的挑战 ，海洋智能无人系统需要依据每种传感器的奇异属性来对指定目的举行多传感器信息融合处置惩罚 ，然后团结无人系统内部导航单位与岸基支持系统的电子海图信息 ，构建海面情形多维立体态势图 ，执行对指定目的的跟踪、检测、识别与认知使命 ，最终实现海洋智能无人系统对海面情形的自主感知与完整明确。

（2）重大场景目的识别与明确手艺

智能无人系统具备作业自主性的要害在于能有用明确场景与目的信息 ，而准确明确场景信息主要包括目口号义信息构建与场景文本信息形貌。相比陆地与空中情形 ，海洋自然情形面临风波滋扰、船体强烈摇晃等奇异的难题 ，这为智能无人系统完整地明确情形信息与准确识别指定目的带来了挑战。使用智能无人系统搭载的激光雷达与高清摄像机等传感器 ，可以获得海洋情形场景的原始点云信息及图像特征信息 ，使用基于点云、点云与图像融合的三维目的检测要领与三维场景语义支解要领等 ，可以实现智能无人系统对场景信息的完整认知及对指定目的的准确识别。
基于点云的要领主要包括2种：基于网格或者体素的要领 ，以及基于点的要领�；谕窕蛱逅氐囊焓鞘褂锰逅鼗蛘吣耦祭唇袢〉暮Ｃ娌还嬖虻牡阍谱宦霸虻谋碚鞣椒� ，然后提取点云特征�；诘愕姆焦嬖蚴侵苯釉诨袢〉暮Ｃ嬖嫉阍浦刑崛∧康奶卣��；诘阍朴胪枷袢诤系娜康募觳庖� ，是将激光雷达获得的海面场景中目的的准确坐标与海面图像提供的情形纹理和颜色信息相团结 ，这样越发有助于智能无人系统对海洋场景目的的准确识别与准确、完整的明确。

2.行为决议与轨迹妄想手艺

在现实的、重大的战争场景中 ，关于智能无人系统面临的重大使命情形与多重使命 ，必需突破多源异构情形下的行为决议手艺、动/静情形下的轨迹妄想手艺与重大场景下的轨迹跟踪手艺。

（1）多源异构情形下的行为决议手艺

行为决议是智能无人系统实现自主控制的要害。在无人艇差别速率、差别相对距离、差别数据类型的重大情形下 ，需要准确提取有用信息来为无人艇下一时刻的决议做出清静可靠的控制指令。首先 ，提取出具有代表性的情形特征信息 ，建设足够数目与准确标定的学习数据集；然后 ，构建基于深度神经网络的决议器 ，并使用建设的数据库举行学习；最后 ，使用机械学习算法对构建的决议器举行优化 ，进一步提高决议精度。

（2）动/静情形下的轨迹妄想手艺

轨迹变换是无人艇与无人潜航器最基本的行为。在重大的战场情形下 ，凭证差别的情形状态妄想出一条可行、可靠的轨迹是无人艇与无人潜航器实现智能行驶的要害。该手艺主要包括基于多项式的轨迹妄想手艺、基于多目的约束的轨迹妄想手艺与基于正、反梯形侧向加速率的轨迹妄想手艺。

（3）重大场景下的轨迹跟踪手艺

对妄想出的理想轨迹举行跟踪是无人艇与无人潜航器的主要使命 ，其要害在于解决无人艇或无人潜航器举行目的轨迹跟踪时的高精度与高稳固性控制难题。主要解决要领为：凭证无人艇与无人潜航器的运动学与动力学模子 ，输出对应的执行器控制量来实现对指定目的的实时、准确追随 ，在包管跟踪精度的条件下 ，实现无人艇与无人潜航器的自主智能转向与各个驱动�？槎嘀葱衅髦涞男骺刂�。

3.自主导航定位手艺

导航定位系统是智能无人系统的要害组成部分 ，其可以提供精准、可靠的有关无人艇或无人潜航器的速率与位置等信息。导航系统一样平常由陀螺仪、加速计、卫星吸收器等组成 ，部分辅以视觉�？� ，或是基于现实重大的情形情形搭载先验空间位置图与物理信息传感器等。智能无人系统要实现使命的精准执行 ，必需突破基于惯性/卫星深度信息融合导航定位手艺、基于惯性/天文信息融合导航定位手艺、基于视觉跟踪的导航手艺与地球物理辅助导航手艺。

（1）基于惯性/卫星深度信息融合的导航定位手艺

该手艺是将无人艇的惯性信息引入卫星载波/码环路 ，然后使用全自主、短时、高精度的惯性信息辅助卫星吸收机信号的更新 ，从而实现无人艇的惯性导航与卫星导航的优势互补及最优融合。

（2）基于惯性/天文信息融合的导航定位手艺

基于天文的导航系统具有高自主性与不易受滋扰的优势 ，通过使用天文导航输出的信息与初始位置提供的信息 ，可以推算出无人艇的位置。将惯性导航信息与天文导航信息相融合 ，可以提高天文导航定位的鲁棒性�；谔煳牡己礁ㄖ墓咝�/天文组合定位手艺已成为无人系统自主导航领域的要害部分。

（3）基于视觉跟踪的导航手艺

由于现实战场情形的重大性 ，无人艇会处于重大的事情情形中 ，容易受到外界滋扰而泛起GPS拒止的情形 ，从而使导航系统无法处于组合状态。单独的惯性导航系统精度较低 ，容易积累误差 ，长时间的纯惯性导航会使无人艇失去执行使命的能力。而基于视觉的要领却没有时间的误差积累 ，只需提取到高清相机所获得图像的要害特征 ，即可通过视觉算法与先验知识获得无人艇与无人潜航器的位置信息�；谑泳醯牡己剿惴ú灰资艿阶倘� ，鲁棒性较强 ，且能填补在GPS拒止情形下由纯惯性导航带来的误差积累 ，被普遍应用。

（4）地球物理辅助导航手艺

由于海洋奇异的情形 ，无人潜航器需长时间在水下航行 ，导致无法获取实时、准确的卫星信号与天文信息。另外 ，由于水下光照弱等问题 ，基于视觉的导航要领也受到限制。因此 ，通过获得海洋内部的先验空间位置图 ，并使用无人潜航器搭载的物理传感器获取的实地场景信息并举行匹配 ，可以实现无人潜航器的高精度自主导航。
可以使用勘探的海洋固有的地球物理属性的时空漫衍特征 ，来制作地球物理导航空间位置图 ，通过将无人潜航器所搭载的物理属性传感器实地获取的物理特征信息与预先搭载的空间位置图相匹配 ，可以获得无人潜航器的高精度定位 ，实现无人潜航器的高精度自主导航。

4.多场景自主手艺学习与智能控制手艺

多场景智能控制手艺是智能无人系统解决重大、多变和控制工具不稳固等问题的要害手艺 ，是智能无人系统顺应重大使命需求的有用工具。在重大的海洋情形下 ，智能无人系统要完成实时、准确的区域监控、目的跟踪、信息获取与精准攻击 ，就必需突破使命的自主手艺学习手艺、自主作业交互控制手艺 ，以及类人智能控制的无人系统运动控制手艺。

（1）使命的自主手艺学习手艺

自主手艺学习是指在无人系统与外界交互的历程中 ，基于先验知识或规则举行学习以完成使命的历程。无人系统作业手艺的自主学习实质是模拟人学习认知的部分历程。智能无人系统使用基于深度强化学习的手艺 ，将深度学习的感知能力与强化学习的决议能力相团结 ，可实现在海面重大情形下从高纬度的原始数据信息输入到决议输出的直接控制。智能无人系统自主手艺学习主要包括3个方面：一是对海洋外貌与海洋内部的重大情形举行形貌 ，并获得周围情形的初始状态数据信息；二是基于智能无人系统与海洋外貌和内部重大情形的形貌方法 ，举行深度强化学习的数学建模 ，获得自主手艺学习历程的状态价值函数与控制战略函数等要害信息；三是使用智能无人系统与海洋外貌和内部重大情形交互所获得的数据信息 ，对状态价值函数及控制战略函数举行更新 ，以使海洋智能无人系统学习出更优的控制战略。

（2）自主作业交互控制手艺

智能无人系统在使命的自主学习与控制历程中 ，需要与海洋外貌和内部重大情形接触形成优异的耦合系统 ，以包管对海洋外貌与内部重大情形信息的实时、准确获取 ，并准确、快速举行无人艇、无人潜航器的航行妄想、自主航行控制与自主规避碰撞等。智能无人系统自主作业交互控制手艺的使命主要包括：智能无人系统交互规则与控制战略的设计；海洋外貌与内部重大情形的建模要领；无人艇、无人潜航器与作业工具的动力学在线建模及修正；海洋外貌与内部重大情形中虚拟力约束的动态天生及共享控制要领。

（3）类人智能控制的无人系统运动控制手艺

类人智能控制的无人系统运动控制手艺是将人工智能与古板控制要领相团结 ，以解决在现实重大的海洋战场情形下 ，无人艇与无人潜航器的稳固准确控制问题 ，主要包括无人系统智能控制算法的设计与无人系统智能控制战略的设计2个方面。无人系统智能控制算法设计主要包括：分层的信息处置惩罚和决议机构；在线的特征辨识与特征影象；开/闭环控制、正/负反响控制以及定性决议与定量控制相团结的多模态控制；启发式直觉推理逻辑的运用。无人系统智能控制战略设计则是设计合理的无人艇或是无人潜航器的计划 ，以知足现实的使命需求。

5.无人集群协同控制手艺

在现实的作战场景中 ，由于战场情形的重大性与使命的多样性 ，单艘无人艇或是无人潜航器通常都无法知足现实使命的需求。单艘无人艇或无人潜航器搭载的装备数目有限 ，感知视角与区域规模不敷周全 ，导致在执行完整的情报探测、目的跟踪、战场情形感知与周全火力攻击使命时不敷准确与彻底 ，因此 ，由多艘无人艇与无人潜航器组成的智能无人系统集群协同执行使命就成为一定的趋势。要完成对智能无人系统集群的控制 ，需要突破智能无人系统集群局部规则控制手艺、智能无人系统集群软控制手艺、智能无人系统集群领航控制手艺以及智能无人系统人工势场控制手艺。

（1）智能无人系统集群局部规则控制手艺

基于局部规则的控制手艺是智能无人系统针对无人艇、无人潜航器集群控制的基本要领 ，主要在于对无人艇、无人潜航器集群内部个体局部控制规则的指定。局部规则控制手艺在一定水平上实现了对海洋无人系统集群的智能控制 ，可是关于海洋无人系统集群行为与集群模子之间的参数 ，需要举行大宗的实验来获得 ，并且对参数的取值也很是敏感。以是 ，要实现对智能无人系统完全的智能控制 ，还需辅助以其他手艺。

（2）智能无人系统集群软控制手艺

智能无人系统集群的软控制手艺主要基于2点需求：一是在智能无人系统集群中 ，个体之间的控制规则很主要 ，例如每艘无人艇、无人潜航器的控制与内部作用是整个海洋智能无人系统集群泛起群体行为的须要条件；二是智能无人系统集群接纳的是局部通讯战略 ，随着集群系统内无人艇、无人潜航器的增添 ，不会影响到整个智能无人系统集群的状态。
软控制要领是在不破损智能无人系统集群内部无人艇、无人潜航器个体规则的条件下 ，加入一个或多个新的无人艇或是无人潜航器 ，这些无人艇或无人潜航器凭证同样的局部规则来加入整个智能无人系统集群的行动 ，但自己可控 ，可以吸收外部指令。在吸收指令后 ，这些无人艇或无人潜航器将自力完成响应的使命。智能无人系统集群的软控制要领是在无人系统局部控制规则的基础上 ，加入一个可以控制的无人艇与无人潜航器 ，使其对整个无人系统集群爆发影响 ，最终完成对整个智能无人系统群体的控制。

（3）智能无人系统集群领航控制手艺

智能无人系统集群领航控制手艺的基本内容是：在整个海洋智能无人系统集群个体坚持局部规则的条件下 ，令集群中少数无人艇与无人潜航器拥有更多的信息量和更强的信息处置惩罚能力 ，并与其他无人艇和无人潜航器通过局部信息交互来起到向导者的作用 ，从而抵达控制整个智能无人系统集群的目的。

（4）智能无人系统人工势场控制手艺

在智能无人系统集群控制中 ，只基于局部规则的控制手艺难以完成对战场准确、实时的感知 ，以及对情报信息的搜集获取、对可疑目的的跟踪识别和对敌方区域的精准攻击。人工势场控制手艺是将物理学中的势能场看法引入智能无人系统集群的控制中 ，使用势函数来模拟影响单艘无人艇或无人潜航器的内、外作用 ，而系统集群中的单艘无人艇或无人潜航器则在势函数的作用下行动 ，最终通过势函数实现对整个智能无人系统的控制。

6.自然人机交互手艺

在现实的战场情形中 ，智能无人系统面临着操作使命重大、操作智能化水平低、训练危害大且本钱高、装备使用与维修效率低等问题 ，在这种情形下 ，就需要提高智能无人系统装备的可操控性与智能化 ，需要突破智能无人系统人机交互手艺、智能无人系统增强现实与混淆现实手艺以及智能无人系统脑机接口手艺。

（1）智能无人系统人机交互手艺

智能无人系统人机交互手艺是指指挥平台通过图像和语音传感器获取指战员的图像与语音信息 ，然后使用图像支解、边沿检测、图像识别等算法提取出指战员的手势与眼势等要害信息 ，随后使用基于深度学习的算法获得指战员的语音信息并转达给指挥平台 ，从而将指战员的指令下发给下级作战单位。智能无人系统的人机交互手艺可以提高使命操作的智能化以及操作历程的容错率与鲁棒性 ，从而使指战员的指令能够越发稳固、有用地下发给作战单位。

（2）智能无人系统增强现实与混淆现实手艺

智能无人系统增强现实手艺是将盘算机天生的图像叠加在真实的重着述战情形中 ，智能无人系统混淆现实手艺则是通过在现实作战场景中泛起虚拟场景的信息 ，在真实的作战情形下在虚拟天下与指战员之间搭起一个交互反响的信息回路 ，从而增添指战员对作战情形体验的真实感。智能无人系统虚拟现实与增强现实作为陶醉式人机交互手艺的主要生长偏向 ，已有多种差别的真实作战应用场景 ，可以有用降低训练时的本钱与危害 ，提高作战时装备的使用与维修效率。

（3）智能无人系统脑机接口手艺

脑机接口的主要功效是捕获人脑在举行头脑运动时爆发的一系列脑电波信号。在现实作战情形中 ，智能无人系统脑机接口手艺通过对指战员的脑电波信号举行特征提取、功效分类 ，从而区分出指战员的意图而做出响应的决议 ，以此应对重大的作战使命与突发情形。智能无人系统脑机接口手艺可以增强指战员的认知与决议能力 ，大幅提升脑机交互与脑控手艺 ，付与指战员在借助头脑的同时具有能操控多艘无人艇与无人潜航器等无人作战装备的能力。

三、智能无人系统未来的生长趋势

智能无人系统由于其无人化、自主性、智能性等优点 ，将泛起在未来战场的各个角落 ，而随着其肩负战场使命的增多 ，将会加入差别的战争场景 ，导致智能无人系统将面临多项要害性的难题 ，使其生长受到制约。智能无人系统面临的要害性难题主要有：
①情形高度重大。智能无人系统详细的应用情形将面临越来越多的要素 ，非结构化情形下遮蔽物众多、感知视点及规模受限等对智能无人系统的情形感知能力提出了更高的要求。
②博弈高对抗。智能无人系统的战场博弈是取得战场优势的主要手段 ，作战双方强烈的无邪对抗 ，以及因敌方和战场情形带来的诸多滋扰对智能无人系统的无邪决议能力提出了新的挑战。
③响应高实时。在未来战场中 ，作战态势转变强烈 ，征战方法将越发无邪多变 ，需实时应对战场突发事务 ，这就对智能无人系统的实时响应能力提出了新的要求。
④信息不完整。在未来战场中 ，受战场情形的限制以及敌方滋扰的保存 ，智能无人系统的信息获取能力将会受到制约 ，从而造成态势感知不完整、战场态势信息数据丧失与衰减 ，导致无法完整获取敌我双方的信息。
⑤界线不确定。智能无人系统的无人作战方法倾覆了古板作战模式 ，未来无人作战的陆�？仗煲惶寤� ，以及通过与社会高度融会带来的社会舆情 ，都将对智能无人系统的无人作战爆发影响 ，从而造成作战界线的不确定性。
基于以上将碰面临的种种难题 ，未来智能无人系统的生长将集中在个体能力增强与集群能力增强2个方面。个体能力增强主要体现在个体认知智能、个体自主作业与算法芯片化等方面；集群能力增强则主要体现在通过通用化架构提升互操作性 ，以及跨域协同作战、网络清静与人机混淆智能等方面。

1.认知智能顺应重大使命情形

为提高智能无人系统在高度重大情形下的顺应能力 ，需要增强智能无人系统的个体认知智能。个体认知智能增强主要体现在从个体感知智能向认知智能的转变方面 ，综合获取的多源传感信息使得智能无人系统具备人类的语义明确、遐想推理、判断剖析、决议妄想、情绪明确等能力。智能无人系统个体认知智能的生长将以脑科学和仿生学等为基础 ，通过团结知识图谱、人工智能、知识推理、决议智能等手艺来实现获守信息的智能明确与准确运用 ，从而提升智能无人系统对突发事务的高实时响应能力。

2.自主作业提升单机使命能力

为解决智能无人系统在高度重大情形下面临的高度重大使命的难题 ，需要提高单机的自主作业能力。包括开发基于深度强化学习的决议要领、基于视觉及其他传感器多源信息的自主情形感知与交互要领、基于神经动力学的机械人自主运动妄想要领 ，以及基于人工智能的自主作业要领等 ，以提升智能无人系统个体的自主情形建模与定位能力、自主决议能力、自主妄想能力及自主控制能力 ，使智能无人系统能够顺应重大的情形并开展自主作业使命。

3.算法芯片化实现高实时响应

智能无人系统面临的重大情形对算法、算力提出了较高要求 ，需要能实时加速盘算 ，实现对战场突发事务的高实时响应。为解决此问题 ，需要提高智能无人系统个体算法的芯片化水平 ，即开发新型架构的存算一体芯片 ，以提高芯片的算力与算法芯片化水平�？裳芯炕谌斯ど窬忠盏男滦托酒� ，通过改变数字芯片的二进制盘算方法 ，交流梯度信号或权重信号来使芯片以模拟神经元的方法举行事情 ，模拟大脑有用处置惩罚大数据量的并行盘算流 ，获得超等盘算机的并行盘算能力 ，从而极大地提升芯片的算力与算法芯片化水平 ，解决智能无人系统的高实时响应难题。

4.通用化的架构提升集群互操作性

为提高智能无人系统面临高度重大情形的顺应能力 ，以及智能无人系统的维修包管效率 ，未来智能无人系统将继续生长标准化的指控框架 ，提高人机协作的智能性并提高系统的�？榛�。主要体现在：
①开发通用式的人工智能框架 ，支持人与机械之间自主、准确、实时的优异耦合与协作关系；
②提高智能无人系统的�？榛氩考涣餍� ，以支持在未来战场中对智能无人系统及其成员举行的快速维修与设置升级；
③提高数据传输一体化水平 ，以及在未来战场上数据传输的抗滋扰能力 ，降低数据的被截获率。

5.跨域协同突破集群应用界线

为提高智能无人系统在高度重大情形下的顺应能力 ，解决作战时的界线不确定难题 ，需要提高智能无人系统的跨域协同作战能力 ，以填补简单作战域能力的缺乏�？赏ü悄芪奕讼低车目缬蛐髡� ，将各个组件举行优势互补。即使用空中无人系统的搜索规模大、通讯距离远等优点 ，以及陆地无人系统与海洋无人系统续航时间长、稳固性强等优点 ，将差别组件的优势举行组合 ，以增添智能无人系统的多维空间信息感知能力 ，组成异质多自主体协同系统 ，从而提高智能无人系统完成重大使命的能力。

6.清静网络包管集群可靠应用

智能无人系统在未来战场上面临着信息不完整与博弈高对抗的难题 ，因此需要提高智能无人系统在高对抗情形下的网络清静包管能力 ，提高在应对高重大、高转变使命时的无邪性与面临高强度网络攻击时的稳固性。对抗情形下网络清静包管能力的提升主要体现在以下几个方面：
①妄想合理的数据权限 ，以包管数据的清静性与使命执行的无邪性；
②提高信息包管能力 ，开发并升级智能无人系统的信息包管产品 ，备案信息爆炸情形的应对决议；
③增添网络的深度防御能力 ，统一网络清静的标准与品级 ，构建网络防御的自主性 ，提高网络攻击下网络的抗攻击能力。

7.人机混淆智能提升对抗能力

为解决在未来战场上面临的高实时响应的难题 ，提高智能无人系统在高度重大情形下的顺应能力 ，需要将人类与机械的优点举行团结 ，组成一种新的人机协作的混淆智能方法 ，即生长智能无人系统的人机混淆智能。智能无人系统人机混淆智能是一种由人、机、情形系统相互作用的新的物理与生物相团结的智能科学系统。针对智能无人系统在未来战场上面临的高重大情形与高实时响应的难题 ，未来人机混淆智能的生长主要体现在以下几方面：
①信息智能输入。在获守信息的输入端 ，将无人系统装备传感器客观收罗的信息数据与作战指挥职员的主观感知信息相团结 ，组成一种多维的信息获取与信息输入方法。
②信息智能融合�；袢〉蕉辔氖菪畔⒑� ，通过将盘算机的盘算数据与作战指挥职员的信息认知相融合 ，构建一种新的数据明确途径。
③信息智能输出。将数据信息举行融合处置惩罚之后 ，将盘算机的盘算效果与作战指挥职员的价值决议相互匹配 ，从而形成有机团结的概率化与规则化的优化判断。

四、结语

智能无人系统由于其自主性、智能性与无人化的特点 ，在未来战场上将起着日益主要的作用 ，智能无人系统的生长也将发动智能盘算、智能交通、智能制造、智慧医疗、类脑科学等学科领域的生长。以后 ，应以现实重大情形战场的使命需求为导向 ，团结人工智能等前沿学科的先进手艺 ，对智能无人系统举行总体顶层妄想；在陆地、空中以及海洋无人系统中差别的无人系统作战平台上 ，验证可靠的机载智能感知与智能盘算装备 ，并开发可靠、稳固的无人系统自主控制、智能感知、智能决议与智能交互等要害手艺 ，攻克智能无人系统的要害难题 ，一直提高智能无人系统的自主控制、智能感知与智能决议能力。
 

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