無(wú)人機(jī)自主控制等級(jí)及其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究

邵丹陽(yáng)　張黎　劉丹　張海昕

【摘 要】隨著人工智能的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了無(wú)人化操作，例如，無(wú)人化工廠、自動(dòng)駕駛汽車以及無(wú)人機(jī)?，F(xiàn)有的人工智能技術(shù)通常廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，盡管在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域也有實(shí)現(xiàn)了相關(guān)的應(yīng)用，但僅僅局限于人工干涉下的自主控制，無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)機(jī)器的自主控制。在無(wú)人機(jī)控制領(lǐng)域，對(duì)控制系統(tǒng)的自主控制和穩(wěn)定性要求極為嚴(yán)格，因此，對(duì)無(wú)人機(jī)的控制系統(tǒng)中的控制等級(jí)劃分與控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是困擾科研人員的一個(gè)棘手的問(wèn)題。本文針對(duì)無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)的控制等級(jí)劃分和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究，并提出了相應(yīng)的方法和策略，對(duì)未來(lái)無(wú)人機(jī)控制領(lǐng)域的研究具有一定的指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】無(wú)人機(jī)；自主控制；等級(jí)；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)： V249.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）08-0085-002

【Abstract】With the continuous development of artificial intelligence， more and more fields have achieved unmanned operations， such as unmanned chemical plants， self-driving cars， and drones. The existing artificial intelligence technology is generally widely used in the computer field. Although there are also related applications in the industrial application field， it is only limited to the autonomous control under artificial intervention， and can not truly realize the autonomous control of the machine. In the field of drone control， the requirements for autonomous control and stability of the control system are extremely stringent. Therefore， the division of the control level in the control system of the drone and the structural design of the control system are thorny issues that plague scientific researchers. This dissertation studies deeply the control level of UAV control system and the design of control system structure， and puts forward the corresponding methods and strategies. It has certain guiding significance for the future research of drone control field.

【Key words】Drone Autonomous Control Level System structure

0 導(dǎo)言

無(wú)人機(jī)通常工作在復(fù)雜和未知的環(huán)境中，這要求無(wú)人機(jī)必須具有很強(qiáng)的適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境和自主學(xué)習(xí)、控制的能力。從現(xiàn)有的技術(shù)條件和研究現(xiàn)狀來(lái)看，無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)在復(fù)雜和未知環(huán)境下的自主控制，尤其是針對(duì)在出現(xiàn)異常狀況下的自主控制，這是現(xiàn)階段智能控制領(lǐng)域的一個(gè)難點(diǎn)，同時(shí)也是科研人員未來(lái)研究的重點(diǎn)方向。隨著電子科技、人工智能、微機(jī)技術(shù)、傳感器等相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，未來(lái)無(wú)人機(jī)的控制必將向智能化、自主化、網(wǎng)絡(luò)化、小型化的方向發(fā)展。

在無(wú)人機(jī)的智能控制中，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的控制等級(jí)的劃分關(guān)系著無(wú)人機(jī)的操控性能和適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的能力，在無(wú)人工干預(yù)的情況下按照人的要求實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，完成特定的任務(wù)。由于無(wú)人機(jī)的控制涉及多個(gè)學(xué)科，例如，傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、微機(jī)原理、控制工程、智能算法等多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)。研究無(wú)人機(jī)的控制首先需要將人的思想“移植”給無(wú)人機(jī)，使無(wú)人機(jī)按照人類的方式處理遇到的復(fù)雜問(wèn)題，根據(jù)遇到的不同環(huán)境做出適當(dāng)?shù)目刂茮Q策，是無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。因此，研究無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的控制等級(jí)的劃分對(duì)于無(wú)人機(jī)控制領(lǐng)域具有十分重要的意義。

1 智能感知

無(wú)人機(jī)具備人的思考能力的前提條件是必須具備對(duì)環(huán)境的感知能力，如人在走路時(shí)發(fā)現(xiàn)路面上有一條溝壑，就會(huì)繞過(guò)溝壑繼續(xù)前行，在這個(gè)過(guò)程中，人首先通過(guò)眼睛發(fā)現(xiàn)路面有問(wèn)題，眼睛獲取的信息傳送至大腦，大腦對(duì)收到信息作出判斷，并將判斷的結(jié)果傳送至人的身體，通過(guò)身體的協(xié)調(diào)動(dòng)作執(zhí)行大腦發(fā)出的“繞路走”的指令。與上述流程類似，無(wú)人機(jī)的控制系統(tǒng)在工作過(guò)程中的控制流程也是如此。首先，無(wú)人機(jī)上安裝的各類傳感器獲取外界環(huán)境中的各類信息，并將信息傳送至無(wú)人機(jī)的CPU中，CPU經(jīng)過(guò)對(duì)信息的處理、融合、計(jì)算，最終得出結(jié)論，并根據(jù)得出的結(jié)論，將控制信息發(fā)送至各個(gè)執(zhí)行部件，實(shí)現(xiàn)自主控制。

圖1 無(wú)人機(jī)感測(cè)系統(tǒng)示意圖

如圖1所示的無(wú)人機(jī)智能感知系統(tǒng)包括傾角傳感器、磁傳感器、距離傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器等。慣性傳感器可以結(jié)合GPS模塊控制飛行的路徑和飛行方向；磁傳感器與傾角傳感器結(jié)合使用可以測(cè)量無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)；距離傳感器可以探測(cè)無(wú)人機(jī)周圍是否存在障礙物，防止無(wú)人機(jī)與外界環(huán)境中的物體發(fā)生碰撞；溫度傳感器可以測(cè)量無(wú)人機(jī)所處環(huán)境中的溫度，由于上述各個(gè)傳感器的測(cè)量值的精度與溫度存在很大的關(guān)系，因此，需要根據(jù)溫度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償，保證各類測(cè)量數(shù)據(jù)的精確性。加速度傳感器廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，其可以測(cè)量周圍空氣的流速、無(wú)人機(jī)的加速度、高度等信息。

2 控制等級(jí)劃分

圖2 無(wú)人機(jī)指令執(zhí)行控制等級(jí)劃分示意圖

由于無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，如果把所有的數(shù)據(jù)信息和控制指令全部中央處理器控制，會(huì)造成控制系統(tǒng)混亂結(jié)構(gòu)不清晰，各種信息和數(shù)據(jù)復(fù)雜錯(cuò)亂，既影響了無(wú)人機(jī)維護(hù)和管理的便捷程度，由降低了無(wú)人機(jī)CPU的計(jì)算和處理速度。因此，根據(jù)無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)的控制流程和控制特點(diǎn)，把無(wú)人機(jī)的控制系統(tǒng)劃分為如圖2所示的控制等級(jí)示意圖。

由圖2可以看出，無(wú)人機(jī)的控制系統(tǒng)主要由一級(jí)控制系統(tǒng)中的任務(wù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)組成，任務(wù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)又分別由其各自子系統(tǒng)構(gòu)成，經(jīng)過(guò)若干級(jí)的劃分，最終由無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中底層的執(zhí)行單元負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)指令執(zhí)行的任務(wù)。無(wú)人機(jī)最重要的功能就是根據(jù)人的需要執(zhí)行任務(wù)，因此，在控制系統(tǒng)中必須對(duì)無(wú)人機(jī)設(shè)置任務(wù)系統(tǒng)，任務(wù)系統(tǒng)中包含無(wú)人機(jī)所需執(zhí)行的任務(wù)信息。任務(wù)系統(tǒng)的主要職責(zé)是根據(jù)設(shè)計(jì)人員的要求，把無(wú)人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)所需獲取的信息的指令下發(fā)到各個(gè)傳感器中，傳感器根據(jù)任務(wù)系統(tǒng)的控制獲取各類數(shù)據(jù)信息，并把相應(yīng)的信息傳送至任務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中，保證任務(wù)系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)計(jì)人員的要求采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果把數(shù)據(jù)處理后的執(zhí)行命令下發(fā)到無(wú)人機(jī)的各個(gè)執(zhí)行件中，保證無(wú)人機(jī)的各個(gè)執(zhí)行件按照技術(shù)人員的設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果實(shí)時(shí)控制無(wú)人機(jī)按照設(shè)定的模式運(yùn)行，保證無(wú)人機(jī)的運(yùn)行不受外界環(huán)境的干擾；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)自主控制的核心內(nèi)容，無(wú)人機(jī)自主控制的能力與數(shù)據(jù)處理的能力和速度息息相關(guān)，因此在進(jìn)行無(wú)人機(jī)系統(tǒng)等級(jí)劃分的時(shí)候，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)作為主要的功能模塊與任務(wù)系統(tǒng)處在一級(jí)。

無(wú)人機(jī)的運(yùn)行僅僅由一個(gè)或幾個(gè)傳感器的控制無(wú)法實(shí)現(xiàn)其控制要求，因此，對(duì)于整個(gè)無(wú)人機(jī)的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，必須由協(xié)同控制系統(tǒng)來(lái)統(tǒng)一調(diào)配各個(gè)傳感器和運(yùn)動(dòng)部件，才能使無(wú)人機(jī)按照預(yù)期的目標(biāo)運(yùn)行。

3 控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳感器將無(wú)人機(jī)系統(tǒng)采集的所有數(shù)據(jù)經(jīng)子系統(tǒng)、主系統(tǒng)，最終傳送到無(wú)人機(jī)的主控制系統(tǒng)，主控系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)處理后把處理結(jié)果傳送給各個(gè)子控制系統(tǒng)，子控制系統(tǒng)再驅(qū)動(dòng)各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的正常運(yùn)行。隨著傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的多功能、高精度的傳感器作為無(wú)人機(jī)的“器官”被應(yīng)用在無(wú)人機(jī)上，例如，有磁力計(jì)和傾角傳感器組成的無(wú)人機(jī)姿態(tài)檢測(cè)模塊的精度可以達(dá)到0.1度，采集的數(shù)據(jù)精確，則無(wú)人機(jī)的控制精度就相應(yīng)的精確。此外，隨著伺服控制技術(shù)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的小型伺服電機(jī)和馬達(dá)作為無(wú)人機(jī)的執(zhí)行系統(tǒng)為無(wú)人機(jī)的運(yùn)行提供可靠的執(zhí)行力。

無(wú)人機(jī)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有傳感器組成的感測(cè)模塊、中央處理模塊和各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件組成的執(zhí)行模塊構(gòu)成。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展ARM芯片、DSP芯片等各類高端控制芯片廣泛作為無(wú)人機(jī)的中央處理系統(tǒng)應(yīng)用在無(wú)人機(jī)的控制系統(tǒng)中，中央處理器的運(yùn)算速度、存儲(chǔ)量、運(yùn)算能力關(guān)系著無(wú)人機(jī)的控制性能。由于無(wú)人機(jī)需適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境，其控制算法對(duì)無(wú)人機(jī)的響應(yīng)速度有十分重要的影響，傳統(tǒng)的PID算法已不能滿足現(xiàn)在無(wú)人機(jī)的控制要求，在無(wú)人機(jī)的控制系統(tǒng)中必須融入人工智能算法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、蟻群算法等高級(jí)算法，才能實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的自主智能控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)的自主控制系統(tǒng)等級(jí)的劃分和控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的分析、介紹，并提出了相應(yīng)的技術(shù)方法和實(shí)施方案，隨著國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)控制技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)的規(guī)模越來(lái)越大，各個(gè)科研單位、公司、高校以及相關(guān)的技術(shù)人員對(duì)無(wú)人機(jī)的研究會(huì)更加深入，無(wú)人機(jī)的控制系統(tǒng)將會(huì)更加完善。

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