得益于機(jī)械、材料、控制、通信、光學(xué)、軟件、算法等相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，近年來(lái)，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的能力和關(guān)鍵技術(shù)成熟度得以不斷提升。且在技術(shù)推動(dòng)和市場(chǎng)拉動(dòng)的雙重作用下，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)正逐步進(jìn)入一種良性循環(huán)的迭代發(fā)展模式：一方面，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在各種傳統(tǒng)的經(jīng)典任務(wù)場(chǎng)景中表現(xiàn)得越來(lái)越熟練和出色，逐漸實(shí)現(xiàn)了“能飛到能用”的跨越;另一方面，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)能力的提升拓展了其應(yīng)用領(lǐng)域，在原有需求之外不斷涌現(xiàn)出更多新的和潛在的應(yīng)用場(chǎng)景，且來(lái)自新需求的牽引反過來(lái)促進(jìn)了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。

在上述發(fā)展過程中，面向自主性/自主能力要求的自主控制系統(tǒng)作為無(wú)人機(jī)最為重要的子系統(tǒng)之一，其研究和應(yīng)用無(wú)疑是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)不斷成熟和走向?qū)嶋H應(yīng)用的重要推動(dòng)力量，對(duì)其理解和認(rèn)識(shí)也在不斷深化與完善。完全意義上的自主控制是無(wú)人機(jī)未來(lái)發(fā)展的必然方向和典型特征，其首要目標(biāo)是支撐無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)自主飛行和自主完成特定任務(wù)的能力。而且，近年來(lái)人工智能技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步也為自主控制系統(tǒng)智能化的“認(rèn)知”和“決策”能力實(shí)現(xiàn)提供了新的思路和動(dòng)力。

1 對(duì)自主控制系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)

一般而言，用于實(shí)現(xiàn)自主性或自主能力的控制過程都可以稱為自主控制，自主控制本質(zhì)上屬于智能控制范疇，系統(tǒng)自主性的強(qiáng)弱取決于智能水平的高低。作為自主性實(shí)現(xiàn)的重要手段，智能控制學(xué)科在基礎(chǔ)理論方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。但時(shí)至今日，客觀地說(shuō)，智能控制仍然不成熟，這在很大程度上歸因于關(guān)于“智能”的研究本身，智能科學(xué)這一充滿挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域至今尚未取得根本性突破，仍有大量的關(guān)鍵問題需要探索和研究。

無(wú)人系統(tǒng)是智能控制技術(shù)最為重要的應(yīng)用載體和研究方向，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，以無(wú)人機(jī)為代表的無(wú)人系統(tǒng)自20世紀(jì)90年代起出現(xiàn)了爆炸式的發(fā)展。無(wú)人系統(tǒng)與生俱來(lái)固有的自主性需求，結(jié)合智能控制等先進(jìn)控制技術(shù)發(fā)展，催生了自主控制相關(guān)概念的出現(xiàn)。自那時(shí)起，關(guān)于無(wú)人系統(tǒng)自主控制的研究在英美等發(fā)達(dá)國(guó)家開始逐漸得到重視，自主控制系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)也成為無(wú)人系統(tǒng)自主性實(shí)現(xiàn)最為重要的支撐。進(jìn)入21世紀(jì)，國(guó)內(nèi)也針對(duì)自主控制技術(shù)展開了持續(xù)的廣泛深入討論和研究，并在工程實(shí)際中開展了無(wú)人機(jī)平臺(tái)自主控制相關(guān)技術(shù)的飛行演示驗(yàn)證工作。

關(guān)于無(wú)人機(jī)智能化與自主控制，國(guó)內(nèi)行業(yè)內(nèi)的多位院士對(duì)此都有重要的相關(guān)論述。吳宏鑫院士曾明確指出：“自主運(yùn)行是目的，而智能控制與其他各種控制方法是實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)行的手段。”樊邦奎院士也曾指出，對(duì)于先進(jìn)無(wú)人機(jī)需要實(shí)現(xiàn)3個(gè)層面的智能化：“單機(jī)飛行智能化、多機(jī)協(xié)同智能化和任務(wù)自主智能化”。包為民院士曾指出：“無(wú)人系統(tǒng)智能自主控制是無(wú)人系統(tǒng)平臺(tái)、人工智能和智能控制的深度融合，其控制理論和技術(shù)具有前沿性、基礎(chǔ)性和綜合性，是支撐無(wú)人系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的核心領(lǐng)域之一?！壁w煦院士也明確指出：“要進(jìn)一步突破無(wú)人機(jī)自主控制技術(shù)，就必須提高無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的智能化水平。無(wú)人機(jī)自主控制的智能化主要體現(xiàn)在3個(gè)方面，即飛行的智能、決策的智能和集群的智能。無(wú)人機(jī)飛行的智能化是實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)決策智能和集群智能的基礎(chǔ)，集群協(xié)同的智能化是實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)全自主這一終極目標(biāo)的重要途徑?！笨梢姡瑹o(wú)人機(jī)系統(tǒng)期望具有的是“基于自主的智能”，即智能化本質(zhì)上是為了更好地實(shí)現(xiàn)面向任務(wù)的自主化，主要技術(shù)手段則是自主控制。

無(wú)人機(jī)自主控制可以理解為非結(jié)構(gòu)化環(huán)境、非預(yù)設(shè)態(tài)勢(shì)、非程序化任務(wù)等各種不確定條件下的“高度”自動(dòng)控制，其最為主要的特性是：在無(wú)人干預(yù)的情況下，面對(duì)不確定性，實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)地解決復(fù)雜的優(yōu)化控制問題。換言之，無(wú)人機(jī)自主控制意味著在沒有人工/外部干預(yù)的條件下，無(wú)人機(jī)能夠通過在線環(huán)境/態(tài)勢(shì)的感知和信息處理，自主生成優(yōu)化的控制與管理策略，規(guī)避各種障礙和威脅，完成各種特定任務(wù)，并具有快速且有效的動(dòng)態(tài)任務(wù)適應(yīng)能力。無(wú)人機(jī)自主控制所面臨的挑戰(zhàn)主要來(lái)自運(yùn)行環(huán)境、任務(wù)及無(wú)人機(jī)系統(tǒng)自身的復(fù)雜性、不確定性和動(dòng)態(tài)性。

對(duì)于無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)，迄今尚未有一個(gè)明確的定義，而且自主控制系統(tǒng)的內(nèi)涵和認(rèn)識(shí)也隨著應(yīng)用場(chǎng)合、技術(shù)發(fā)展和時(shí)間的推移有所不同。但是從功能分解與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的角度出發(fā)，通常認(rèn)為無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)一般由無(wú)人機(jī)任務(wù)管理系統(tǒng)、飛行管理系統(tǒng)、控制執(zhí)行系統(tǒng)和感知與通信系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成，基于信息實(shí)施無(wú)人機(jī)的決策、管理與控制功能，在動(dòng)態(tài)和不確定環(huán)境下完成復(fù)雜任務(wù)。不同無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)的功能配置和任務(wù)應(yīng)用配置使得無(wú)人機(jī)具有不同的自主控制能力，來(lái)適應(yīng)不同的自主性要求，完成不同的任務(wù)。其主要功能是將系統(tǒng)的感知、規(guī)劃、決策和行動(dòng)等各模塊有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。它的作用包括：把各個(gè)子系統(tǒng)連接成一個(gè)整體，包括各個(gè)部件的接口規(guī)范、通信協(xié)議和數(shù)據(jù)流程;統(tǒng)一管理、調(diào)度各個(gè)子系統(tǒng)，控制它們功能的發(fā)揮，按總體工作模型進(jìn)行協(xié)調(diào)工作，使各子系統(tǒng)步調(diào)一致地完成總體任務(wù);提供面向不確定性的智能化處理機(jī)制，在授權(quán)范圍內(nèi)且無(wú)外界人工干預(yù)的情況下，實(shí)現(xiàn)自主的決策、管理與控制。

2 無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)能力需求

對(duì)于無(wú)人機(jī)系統(tǒng)而言，由于面向不同用戶的不同平臺(tái)、不同任務(wù)場(chǎng)景等對(duì)自主性的要求不同，所以其自主控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的需求也不盡相同。但是仍然可以從宏觀的角度出發(fā)，研究和分析無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)的能力需求，從而為技術(shù)研究提供重要的參考和借鑒，指導(dǎo)工程實(shí)踐中無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)。

截至目前，國(guó)內(nèi)已有很多專家和學(xué)者針對(duì)無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)所應(yīng)具備的能力開展了深入的研究，并形成了若干較為完善的觀點(diǎn)。北京航空航天大學(xué)王英勛研究員認(rèn)為自主無(wú)人機(jī)應(yīng)具備4種基本的能力：安全能力、感知能力、決策能力和協(xié)同能力;國(guó)防科技大學(xué)朱華勇教授［15］認(rèn)為未來(lái)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)自主控制的技術(shù)需求主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面的能力實(shí)現(xiàn)：全面的環(huán)境感知與智能戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)認(rèn)知能力，復(fù)雜條件下的自主導(dǎo)航、規(guī)劃與控制能力，人機(jī)智能融合與學(xué)習(xí)適應(yīng)能力，以及多平臺(tái)分布式協(xié)同能力;航空工業(yè)沈陽(yáng)所范彥銘研究員基于無(wú)人機(jī)自主行為方式，認(rèn)為系統(tǒng)必須具有3種主要能力：獨(dú)立自主信息獲取能力、獨(dú)立自主信息處理與決策能力、獨(dú)立行為執(zhí)行能力。北京航天自動(dòng)控制研究所馬衛(wèi)華研究員、柳嘉潤(rùn)研究員等認(rèn)為航天智能控制系統(tǒng)的能力特征可歸納為5個(gè)方面：感知與理解能力、運(yùn)動(dòng)與控制能力、學(xué)習(xí)與適應(yīng)能力、規(guī)劃與決策能力、溝通與協(xié)同能力。針對(duì)智能控制系統(tǒng)，吳宏鑫院士則明確指出其應(yīng)具備以下若干方面的能力：感知和認(rèn)知的能力、在線規(guī)劃和學(xué)習(xí)的能力、推理決策的能力、多執(zhí)行機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)操控的能力。

對(duì)上述各種觀點(diǎn)進(jìn)行歸納總結(jié)，不難發(fā)現(xiàn)，無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)的能力需求和無(wú)人機(jī)自主性的體現(xiàn)是高度統(tǒng)一的，可從以下若干角度出發(fā)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

首先，倘若基于OODA循環(huán)實(shí)現(xiàn)，由于“機(jī)上無(wú)人”且“人在回路上”，所以對(duì)于無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)而言，則很自然地期望所有環(huán)節(jié)最好都能由無(wú)人機(jī)系統(tǒng)來(lái)自主完成，并形成控制閉環(huán)。這樣一來(lái)，為實(shí)現(xiàn)自主的OODA循環(huán)，必須具有相應(yīng)的感知認(rèn)知能力、評(píng)估判斷能力、規(guī)劃決策能力和控制執(zhí)行能力等。

其次，考慮無(wú)人機(jī)在實(shí)際使用中，除了無(wú)人機(jī)自身外，其應(yīng)用場(chǎng)景的主要元素一般還包括有自然環(huán)境、遂行任務(wù)、敵對(duì)力量、友方力量和操作/使用者等。無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)必須綜合考慮上述各方面元素的影響，尤其是必須通過己方力量的交互、融合與協(xié)同實(shí)現(xiàn)面向飛行和任務(wù)的有效資源管理、調(diào)度與控制。因此除了上述OODA循環(huán)實(shí)現(xiàn)所必備的能力外，無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)還應(yīng)具備相應(yīng)的人機(jī)融合能力、多機(jī)協(xié)同能力等。

此外，除自主控制功能實(shí)現(xiàn)應(yīng)具備的基本能力外，還期望無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)具備一定的面向故障的容錯(cuò)修復(fù)能力，以及更具智能化的學(xué)習(xí)進(jìn)化能力。

綜上所述，無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)的主要能力需求可以概括為8項(xiàng)，分別是：感知認(rèn)知能力、評(píng)估判斷能力、規(guī)劃決策能力、控制執(zhí)行能力、人機(jī)融合能力、多機(jī)協(xié)同能力、故障容錯(cuò)能力、學(xué)習(xí)進(jìn)化能力。

2.1 感知認(rèn)知能力

感知是獲取外界信息的手段，認(rèn)知是通過所感知事物形成知識(shí)/認(rèn)識(shí)。感知認(rèn)知能力是無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。尤其在復(fù)雜和不確定條件下，只有具備相應(yīng)的感知認(rèn)知能力，無(wú)人機(jī)才能獲取足夠且正確的飛行/任務(wù)環(huán)境信息、自身運(yùn)動(dòng)和系統(tǒng)狀態(tài)信息，以及操作指令和任務(wù)目標(biāo)信息等，支撐自主控制系統(tǒng)所期望功能和性能的實(shí)現(xiàn)。

感知認(rèn)知的對(duì)象是各種來(lái)源的相關(guān)信息，所以，相應(yīng)地，感知認(rèn)知能力可以理解為針對(duì)信息的獲取、識(shí)別/甄別和基于信息的建模等相關(guān)能力。其中，感知能力側(cè)重于前端信息的收集和獲取，一方面解決信息“有無(wú)”的問題，另一方面還要從各種信息中分辨和提取出有用的信息，解決“好壞”的問題;認(rèn)知能力則更加側(cè)重于后端信息的處理和理解。感知能力可認(rèn)為是認(rèn)知能力的基礎(chǔ)，與感知能力相比較，認(rèn)知能力更復(fù)雜也更抽象，同時(shí)含有一定程度的主觀色彩，例如可以基于感知信息，建立關(guān)于環(huán)境/威脅/任務(wù)等具有一定偏好的認(rèn)知模型等。

2.2 評(píng)估判斷能力

無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)的評(píng)估判斷能力是感知認(rèn)知能力的延伸，在基于感知認(rèn)知獲取相應(yīng)的信息并建立認(rèn)知模型后，需要對(duì)敵我態(tài)勢(shì)/意圖、環(huán)境/敵方威脅、自我健康等做出有效評(píng)估和判斷。

從數(shù)據(jù)融合的角度出發(fā)，評(píng)估判斷能力屬于高層次數(shù)據(jù)融合的范疇。顯然，評(píng)估判斷能力的強(qiáng)弱直接影響自主控制系統(tǒng)的運(yùn)行，誤評(píng)和誤判可能會(huì)帶來(lái)災(zāi)難性的后果。典型的評(píng)估判斷能力是態(tài)勢(shì)評(píng)估能力和威脅估計(jì)能力。其中，態(tài)勢(shì)評(píng)估是基于“敵方+我方+環(huán)境+任務(wù)”等多種信息，實(shí)現(xiàn)反映戰(zhàn)場(chǎng)/競(jìng)爭(zhēng)/運(yùn)行態(tài)勢(shì)的多層視圖融合;威脅估計(jì)需要綜合威脅主體、行為、能力、意圖、態(tài)勢(shì)、事件等多因素，做到“感知-理解-預(yù)測(cè)”，屬于更高層級(jí)的融合。

2.3 規(guī)劃決策能力

規(guī)劃與決策能力也是自主控制系統(tǒng)智能化的重要體現(xiàn)。無(wú)人機(jī)要減少人的實(shí)時(shí)控制參與，增強(qiáng)自主控制能力，就必須在不確定的情況下自己做出規(guī)劃與決策，這一能力的強(qiáng)弱體現(xiàn)了“預(yù)先設(shè)定”和“隨機(jī)應(yīng)變”的巨大區(qū)別。

面向目標(biāo)和任務(wù)的規(guī)劃與決策能力，其實(shí)現(xiàn)依賴于人的經(jīng)驗(yàn)、智能控制方法和軟硬件的支持，實(shí)施的主要依據(jù)來(lái)源于數(shù)據(jù)鏈傳遞的信息、本源數(shù)據(jù)庫(kù)有關(guān)數(shù)據(jù)、感知認(rèn)知獲取的相關(guān)信息及評(píng)估判斷的結(jié)果。在無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)中，典型的規(guī)劃決策能力體現(xiàn)包括軌跡規(guī)劃、任務(wù)規(guī)劃、戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)決策等。

2.4 控制執(zhí)行能力

對(duì)無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)而言，控制執(zhí)行能力主要面向無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)飛行，是基于規(guī)劃與決策的結(jié)果改變自身位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的能力。其通常與被控對(duì)象緊耦合，不僅需要實(shí)現(xiàn)一定程度的快速性、敏捷性和機(jī)動(dòng)性，而且對(duì)控制精度、穩(wěn)定性、魯棒性等屬性也有相應(yīng)的要求。

控制執(zhí)行能力的優(yōu)劣不僅取決于控制模態(tài)和控制算法的設(shè)計(jì)，也依賴于有效的傳感裝置與執(zhí)行機(jī)構(gòu)。例如，對(duì)于未來(lái)的無(wú)人作戰(zhàn)自主飛行器而言，為了兼顧機(jī)動(dòng)性和隱身性等要求，可能會(huì)采用變體構(gòu)型等先進(jìn)設(shè)計(jì)，所帶來(lái)的復(fù)雜性、非線性和不確定性對(duì)于系統(tǒng)的控制執(zhí)行能力是巨大的挑戰(zhàn)。

2.5 人機(jī)融合能力

在無(wú)人機(jī)的實(shí)際使用中，離不開人的參與，且應(yīng)始終貫徹“以人為中心”的原則。所以盡管絕大多數(shù)時(shí)間“人在回路上”，人機(jī)融合能力仍是自主控制系統(tǒng)所必不可少的。通過人機(jī)融合能力的實(shí)現(xiàn)，無(wú)人機(jī)和操作使用者之間、無(wú)人機(jī)和有人系統(tǒng)之間才能建立起溝通與協(xié)作的橋梁。

人機(jī)融合能力可理解為智能系統(tǒng)技術(shù)與平臺(tái)控制技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，其實(shí)現(xiàn)涉及人機(jī)接口、人機(jī)分工、人機(jī)協(xié)同等相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域。美國(guó)空軍也在《自主地平線》等重要報(bào)告中明確指出人機(jī)共生/共融是自主系統(tǒng)的未來(lái)重要發(fā)展方向。

2.6 多機(jī)協(xié)同能力

面向日益復(fù)雜的任務(wù)和應(yīng)用環(huán)境，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的使用模式已經(jīng)逐步由單平臺(tái)發(fā)展為更靈活的多平臺(tái)（有人/無(wú)人、無(wú)人/無(wú)人）協(xié)同操作方式，因此，自主控制系統(tǒng)也必須根據(jù)實(shí)際任務(wù)需求建立相應(yīng)的多機(jī)協(xié)同能力。

具備多機(jī)協(xié)同能力的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，可以完成單一無(wú)人平臺(tái)所不能完成的一些復(fù)雜任務(wù)，例如協(xié)同感知、協(xié)同攻擊、協(xié)同干擾等。要實(shí)現(xiàn)這一能力，必須解決復(fù)雜性、分布性、異構(gòu)性等問題，這對(duì)與之相關(guān)的通信、信息處理、管理和調(diào)度提出了一系列的挑戰(zhàn)。

2.7 故障容錯(cuò)能力

容錯(cuò)能力即自動(dòng)/自主處理故障的能力，無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)應(yīng)針對(duì)突發(fā)的系統(tǒng)故障、戰(zhàn)損等，具備一定程度的容錯(cuò)甚至修復(fù)能力，從而能自主處理飛行中的故障，為任務(wù)的執(zhí)行提供有效的保障。

要想具備故障容錯(cuò)能力，在無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)中必須建立故障/錯(cuò)誤的實(shí)時(shí)檢測(cè)、隔離、恢復(fù)和預(yù)測(cè)等相應(yīng)功能，主要通過主動(dòng)容錯(cuò)和被動(dòng)容錯(cuò)相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。例如，常見的容錯(cuò)手段包括故障檢測(cè)/診斷/隔離、系統(tǒng)冗余/備份、自修復(fù)/重構(gòu)控制、系統(tǒng)降級(jí)處理等。

2.8 學(xué)習(xí)進(jìn)化能力

學(xué)習(xí)進(jìn)化能力是自主控制系統(tǒng)高度智能化的重要體現(xiàn)之一，是指可通過自主的學(xué)習(xí)、修正和不斷進(jìn)化，提高系統(tǒng)相關(guān)性能的能力。其中，學(xué)習(xí)是指對(duì)已有經(jīng)驗(yàn)和信息進(jìn)行處理、加工和提煉，形成自身所掌握的知識(shí);進(jìn)化則是指自身知識(shí)的不斷迭代優(yōu)化和提升。

隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)有望逐步具備一定程度的學(xué)習(xí)和進(jìn)化能力，尤其是面向某些特定的任務(wù)場(chǎng)景，如自主空戰(zhàn)決策等領(lǐng)域，數(shù)年前美國(guó)的ALPHA自主空戰(zhàn)模擬系統(tǒng)就已展現(xiàn)出非常強(qiáng)大的相關(guān)能力。學(xué)習(xí)和進(jìn)化能力的工程化實(shí)現(xiàn)為期不遠(yuǎn)，非常值得期待。

需要強(qiáng)調(diào)的是，無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)的上述8項(xiàng)能力需求并不是彼此獨(dú)立的，而是相互滲透、相互作用和相互促進(jìn)的關(guān)系，應(yīng)該在系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程中予以統(tǒng)一考慮。所提及的前4項(xiàng)能力依次遞進(jìn)，前者是后者的基礎(chǔ)，后者是前者的目的;在前4項(xiàng)能力的基礎(chǔ)上，才能實(shí)現(xiàn)面向任務(wù)的人機(jī)融合能力和多機(jī)協(xié)同能力;故障容錯(cuò)能力和學(xué)習(xí)進(jìn)化能力的具備則可以更進(jìn)一步提升前6項(xiàng)能力。只有上述多方面能力的協(xié)調(diào)發(fā)展，才能達(dá)成并促進(jìn)自主控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和進(jìn)步。

3 無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)功能組成

無(wú)人機(jī)的自主控制系統(tǒng)是一個(gè)大型、復(fù)雜且面向不確定性的系統(tǒng)，它由多個(gè)子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)之間既有聯(lián)系也相互獨(dú)立，因此盡可能模塊化設(shè)計(jì)并獨(dú)立控制，防止一個(gè)子系統(tǒng)的故障影響其他子系統(tǒng)，然而它又是一個(gè)整體，應(yīng)保持各子系統(tǒng)之間的統(tǒng)一管理與操作，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)整體性能的發(fā)揮和智能水平的高低。

自主控制系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的飛行控制與管理，它是無(wú)人機(jī)機(jī)載系統(tǒng)中的飛行和安全關(guān)鍵系統(tǒng)。參考有人駕駛第四代戰(zhàn)斗機(jī)的綜合飛行器管理系統(tǒng)相關(guān)概念和定義，一般可認(rèn)為無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)在物理結(jié)構(gòu)上由任務(wù)管理系統(tǒng)（Mission Management System，MMS）和飛行器管理系統(tǒng)（Vehicle Managenent System，VMS）兩大主要部分組成。顧名思義，MMS主要面向任務(wù)的執(zhí)行管理，而VMS主要面向飛行功能的實(shí)現(xiàn)和保障。

為便于理解，可將MMS和VMS對(duì)應(yīng)到智能控制系統(tǒng)的功能分層遞階結(jié)構(gòu)中，其中，MMS處于頂層，VMS位于底層。在功能劃分上，VMS主要承擔(dān)協(xié)調(diào)層和執(zhí)行層的相關(guān)功能，而 MMS主要實(shí)現(xiàn)組織和決策層的作用。因此，基于上述組成和結(jié)構(gòu)，無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)通常需要實(shí)現(xiàn)以下主要功能。

3.1 任務(wù)管理

任務(wù)管理的實(shí)現(xiàn)是基于任務(wù)目標(biāo)，依托機(jī)載MMS達(dá)成可變自主權(quán)限的任務(wù)決策和管理，主要包括以下功能模塊：可變自主權(quán)限的判斷（由任務(wù)控制站授權(quán)）;任務(wù)排序、分配;本機(jī)任務(wù)規(guī)劃和實(shí)時(shí)重規(guī)劃;任務(wù)解釋;任務(wù)流程和任務(wù)執(zhí)行管理;系統(tǒng)監(jiān)視和異常處理;任務(wù)載荷管理與控制;敵我識(shí)別與目標(biāo)定位;機(jī)站通信等。

3.2 飛行管理

飛行管理功能歸屬于智能控制系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)中的協(xié)調(diào)層，主要作用是管理和導(dǎo)引無(wú)人機(jī)以最優(yōu)的方式自動(dòng)化地實(shí)現(xiàn)飛行計(jì)劃，同時(shí)也可直接接受指令導(dǎo)引。飛行管理的主要功能包括：導(dǎo)航解算（包括綜合導(dǎo)航、相對(duì)導(dǎo)航）;飛行階段管理;飛行性能管理;航線管理（含航跡規(guī)劃與重規(guī)劃）;機(jī)動(dòng)軌跡生成;制導(dǎo)（含四維制導(dǎo)、加油制導(dǎo)、編隊(duì)制導(dǎo)、艦載起降制導(dǎo)等）;編隊(duì)協(xié)同等。

3.3 控制與執(zhí)行

控制與執(zhí)行主要是指?jìng)鹘y(tǒng)意義上的飛行控制與綜合控制功能，根據(jù)飛行管理生成和航跡指令對(duì)無(wú)人機(jī)和動(dòng)力進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)平臺(tái)的速度控制和姿態(tài)控制，從而確保實(shí)現(xiàn)高精度的航跡跟蹤，達(dá)成任務(wù)所需的平臺(tái)飛行狀態(tài)。其主要功能包括：控制模態(tài)選擇;廣義操縱面控制（含氣動(dòng)、矢量、進(jìn)氣道、滑行糾偏裝置等）;發(fā)動(dòng)機(jī)全權(quán)限數(shù)字控制;綜合飛/火/推控制;邊界保護(hù)和極限狀態(tài)抑制;自修復(fù)重構(gòu)控制等。

3.4 平臺(tái)設(shè)備管理

平臺(tái)設(shè)備管理主要完成無(wú)人機(jī)上與任務(wù)管理、飛行管理和飛行控制直接相關(guān)的傳感器及任務(wù)設(shè)備（如導(dǎo)航、大氣數(shù)據(jù)、雷達(dá)、鏈路等）的工作狀態(tài)故障監(jiān)控、控制與管理等工作。其主要功能包括：運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)傳感器管理;伺服系統(tǒng)管理;通信鏈路管理;能源管理（含輔助動(dòng)力、燃油、電氣、液壓等）;起落架/剎車系統(tǒng)管理等。

3.5 系統(tǒng)健康管理

健康管理主要用來(lái)監(jiān)控、預(yù)測(cè)機(jī)載傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)體等，實(shí)現(xiàn)其健康狀態(tài)和故障的診斷、緩解、修復(fù)和檢驗(yàn)，并將結(jié)果進(jìn)行記錄和發(fā)送報(bào)告，其主要功能包括：BIT;余度管理;故障檢測(cè)、診斷、隔離和預(yù)測(cè);數(shù)據(jù)記錄與發(fā)送等。

4 無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

與有人駕駛飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)相比，先進(jìn)無(wú)人機(jī)的自主控制系統(tǒng)無(wú)疑要復(fù)雜得多。從當(dāng)前技術(shù)水平和發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)的“自動(dòng)化”已經(jīng)解決了飛行自動(dòng)控制的問題，但是還遠(yuǎn)未解決智能自主控制的問題。對(duì)于其關(guān)鍵技術(shù)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究和綜述不少，可重點(diǎn)參考美國(guó)國(guó)防部在2012年發(fā)布的經(jīng)典文件《The Role of Autonomy in DoD Systems》，其總結(jié)了無(wú)人系統(tǒng)自主性相關(guān)的六大核心技術(shù)，分別是感知、規(guī)劃、學(xué)習(xí)、人機(jī)交互、自然語(yǔ)言理解和多智能體協(xié)同，并基于認(rèn)知層次視圖給出了技術(shù)現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)，至今對(duì)自主控制關(guān)鍵技術(shù)的分析和提煉仍具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

基于已有研究和實(shí)踐不難發(fā)現(xiàn)，自主控制尚未解決的核心問題絕大多數(shù)集中于決策層、組織層和協(xié)調(diào)層。因此，面向?qū)嶋H飛行和任務(wù)場(chǎng)景，結(jié)合能力需求，自主控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)可以歸納如下。需要說(shuō)明的是，以下所述各關(guān)鍵技術(shù)并不是相互獨(dú)立的，它們之間存在密切的聯(lián)系，甚至在局部有所交叉和融合，在研究、應(yīng)用和實(shí)踐中應(yīng)整體予以考慮。

4.1 自主控制系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)體系架構(gòu)的主要任務(wù)是把各個(gè)子系統(tǒng)連接成一個(gè)整體，統(tǒng)一管理調(diào)度各個(gè)子系統(tǒng)，使各子系統(tǒng)步調(diào)一致地完成總體任務(wù)，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到無(wú)人機(jī)系統(tǒng)整體性能的發(fā)揮和智能水平的高低。

自主控制技術(shù)的作用對(duì)象和應(yīng)用場(chǎng)景較以往自動(dòng)控制系統(tǒng)更為復(fù)雜和動(dòng)態(tài)，從效能的角度出發(fā)，未來(lái)無(wú)人機(jī)的工作方式將涵蓋單機(jī)行動(dòng)和多機(jī)協(xié)同的模式。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)時(shí)應(yīng)對(duì)諸多要素進(jìn)行綜合考慮，其中包括將整個(gè)機(jī)群的使命分解為每架無(wú)人機(jī)的具體目標(biāo)、在線任務(wù)計(jì)劃、在線優(yōu)化編隊(duì)的任務(wù)航線、軌跡的規(guī)劃和跟蹤、編隊(duì)中不同無(wú)人機(jī)間相互的協(xié)調(diào)、在兼顧環(huán)境不確定性及自身故障和損傷的情況下實(shí)現(xiàn)重構(gòu)控制和故障管理等。因此需要設(shè)計(jì)合理的系統(tǒng)架構(gòu)，妥善解決軟、硬件功能劃分和系統(tǒng)內(nèi)各要素的協(xié)調(diào)問題，確保復(fù)雜系統(tǒng)的靈活、開放、可配置。

針對(duì)這樣的要求，當(dāng)前廣泛接受的解決方案是采用分層遞階式的設(shè)計(jì)模式，將系統(tǒng)分為任務(wù)、決策、執(zhí)行等多個(gè)功能層次實(shí)現(xiàn)，以便保證任務(wù)和決策等高層功能的設(shè)計(jì)與底層控制執(zhí)行等限制解耦。在保證層間輸入輸出關(guān)系固定的基礎(chǔ)上，每層功能設(shè)計(jì)可以采用靈活的形式。無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以選擇集中式或分布式的通信/決策邏輯，并利用通用總線來(lái)連接各個(gè)子系統(tǒng)。

4.2 （多源）信息采集、處理與融合技術(shù)

正確可靠、及時(shí)有效的信息是自主控制系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃、決策、管理和控制的前提。多源不確定信息的采集、處理與融合技術(shù)不僅直接支撐無(wú)人機(jī)感知能力的實(shí)現(xiàn)，也是其他各種能力實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，在信息復(fù)雜、高度對(duì)抗、任務(wù)多變的使用環(huán)境中發(fā)揮著不可或缺的重要作用。

通常情況下，多源信息采集、處理與融合過程可簡(jiǎn)單描述為首先通過多種來(lái)源的傳感器或信息交互途徑獲得相關(guān)信息，然后依據(jù)某種準(zhǔn)則對(duì)獲取的信息進(jìn)行組合與處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)所獲數(shù)據(jù)信息的結(jié)構(gòu)化表示，從而獲得平臺(tái)自身、環(huán)境、目標(biāo)、態(tài)勢(shì)、威脅等相關(guān)的可用信息。所以對(duì)無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)而言，前端的多源信息采集、處理與融合技術(shù)嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是一個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，范圍較廣，主要涉及以下相關(guān)子技術(shù)：先進(jìn)傳感器實(shí)現(xiàn)技術(shù)（如時(shí)間/位移、導(dǎo)航/定位、探測(cè)/檢測(cè)等傳感器）;傳感器信號(hào)處理技術(shù)（校正、補(bǔ)償、降噪、時(shí)空同步等）;自主導(dǎo)航、定位與授時(shí)技術(shù)（含相對(duì)導(dǎo)航）;非結(jié)構(gòu)化未知環(huán)境感知與建模技術(shù);目標(biāo)檢測(cè)、識(shí)別、跟蹤技術(shù);敵/我行為理解和意圖識(shí)別技術(shù);信息交互與共享技術(shù);態(tài)勢(shì)評(píng)估/威脅估計(jì)技術(shù)等。

多源信息采集、處理與融合技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)主要來(lái)自信息的不確定性，即在復(fù)雜、對(duì)抗條件下獲取的信息可能是非結(jié)構(gòu)的、不完整的、含有噪聲的、非同步的、不可預(yù)見的，甚至是欺騙的。此外，所獲取信息的數(shù)據(jù)形式往往也呈現(xiàn)出高維、海量、動(dòng)態(tài)等特征，對(duì)無(wú)人機(jī)機(jī)載條件下采集、處理與融合技術(shù)的實(shí)時(shí)性也提出了很高的要求。

4.3 在線實(shí)時(shí)規(guī)劃與自主決策技術(shù)

自主控制的重要特征之一就是可在不確定條件下求解復(fù)雜的規(guī)劃與決策問題，無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)的在線實(shí)時(shí)規(guī)劃與自主決策技術(shù)主要面向飛行管理和任務(wù)管理相關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)。

規(guī)劃本質(zhì)上是已有能力和目標(biāo)代價(jià)之間的優(yōu)化折中，無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)中的規(guī)劃問題主要是指任務(wù)規(guī)劃，一般包括任務(wù)優(yōu)先級(jí)排序、多任務(wù)分配、航跡規(guī)劃、任務(wù)載荷規(guī)劃、通信拓?fù)湟?guī)劃，以及針對(duì)系統(tǒng)保障和應(yīng)急的預(yù)案規(guī)劃等。通常情況下，規(guī)劃可以分為離線的全局規(guī)劃，以及在線實(shí)時(shí)的重規(guī)劃。目前研究比較多的是航跡規(guī)劃技術(shù)和任務(wù)分配技術(shù)，均取得了一系列不錯(cuò)的成果，并逐步走向工程應(yīng)用。

決策實(shí)際上是一個(gè)在可行方案中的選擇過程，需要基于所獲信息和已有知識(shí)，進(jìn)行有效的推理、評(píng)估和預(yù)測(cè)，從而得到最終的結(jié)果。無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)中的決策主要指自主行為決策，如自主空戰(zhàn)中的戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)決策等。

在線實(shí)時(shí)規(guī)劃和自主決策技術(shù)的挑戰(zhàn)一方面來(lái)自環(huán)境及任務(wù)的復(fù)雜性和不確定性，另一方面來(lái)自于系統(tǒng)應(yīng)用規(guī)模擴(kuò)大所帶來(lái)的復(fù)雜性。例如，在面向無(wú)人機(jī)協(xié)同或集群控制的分布式?jīng)Q策中，每個(gè)智能體在進(jìn)行決策時(shí)，不僅需要考慮環(huán)境和智能體自身的模型，而且需要考慮其他智能體可能采取的策略，從而使問題具有高度復(fù)雜的策略空間，而且隨著個(gè)體數(shù)量和規(guī)劃問題規(guī)模的增加，其復(fù)雜性呈指數(shù)增長(zhǎng)，很快變得難以求解。

4.4 高精度/魯棒/自適應(yīng)/容錯(cuò)控制與執(zhí)行技術(shù)

高精度/魯棒/自適應(yīng)/容錯(cuò)控制與執(zhí)行技術(shù)屬于傳統(tǒng)飛行控制領(lǐng)域的范疇，主要應(yīng)用于分層遞階結(jié)構(gòu)的執(zhí)行層。其中，高精度的指令跟蹤控制技術(shù)是無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)飛行和任務(wù)的必要保障，尤其是在一些特定的任務(wù)場(chǎng)景中，如著陸/著艦、空中加（受）油、編隊(duì)飛行、避障飛行等，控制精度對(duì)任務(wù)的執(zhí)行將起到?jīng)Q定性作用;魯棒控制技術(shù)主要針對(duì)被控對(duì)象中存在的不確定性（如結(jié)構(gòu)不確定性和參數(shù)不確定性等），用于保證系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性和魯棒性能;自適應(yīng)控制技術(shù)則可以面向控制對(duì)象的大范圍動(dòng)態(tài)變化，提供滿意的飛行品質(zhì)，傳統(tǒng)飛行控制中多采用線性控制方法加上增益調(diào)參策略予以解決，未來(lái)的主要研究和發(fā)展方向包括面向大包線飛行的非線性自適應(yīng)控制技術(shù)、面向任務(wù)變化的任務(wù)自適應(yīng)控制技術(shù)，以及面向變體飛行器的大可變構(gòu)型自適應(yīng)控制技術(shù);容錯(cuò)控制技術(shù)是系統(tǒng)容錯(cuò)能力實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，容錯(cuò)能力主要體現(xiàn)在故障的自主診斷能力和系統(tǒng)在線運(yùn)行過程中針對(duì)故障的重構(gòu)能力，因此容錯(cuò)控制技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容包括故障檢測(cè)/診斷/隔離、自修復(fù)重構(gòu)控制等。

此外，高可靠、高帶寬、高功重比的控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)也是無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，需要針對(duì)相應(yīng)的伺服作動(dòng)技術(shù)展開深入研究，如電液伺服閥技術(shù)、直接驅(qū)動(dòng)閥技術(shù)、液壓密封技術(shù)、電靜液伺服作動(dòng)技術(shù)、機(jī)電伺服作動(dòng)技術(shù)、作動(dòng)器耐久性綜合評(píng)價(jià)與驗(yàn)證技術(shù)等。

4.5 面向任務(wù)的自主協(xié)同控制技術(shù)

協(xié)同是面向任務(wù)的高級(jí)智能活動(dòng)，在任務(wù)復(fù)雜/艱巨，且執(zhí)行個(gè)體能力有限的情況下，可通過個(gè)體之間的協(xié)同與合作有效完成復(fù)雜任務(wù)。面向任務(wù)的自主協(xié)同控制是無(wú)人機(jī)高級(jí)自主能力的體現(xiàn)。無(wú)人機(jī)的自主協(xié)同控制技術(shù)主要解決多無(wú)人機(jī)以及人和無(wú)人機(jī)之間的協(xié)作行為控制，實(shí)現(xiàn)有人-無(wú)人平臺(tái)協(xié)同任務(wù)以及多無(wú)人平臺(tái)間的協(xié)同任務(wù)。其面臨的挑戰(zhàn)除了來(lái)自各種不確定性，同時(shí)還需要解決處理分布式協(xié)同決策、管理與控制的難題?，F(xiàn)階段，面向任務(wù)的自主協(xié)同控制相關(guān)研究主要集中兩個(gè)方向：有人-無(wú)人協(xié)同控制技術(shù)和編隊(duì)協(xié)同控制技術(shù)。

在有人-無(wú)人協(xié)同控制技術(shù)方向上，主要問題首先是如何實(shí)現(xiàn)人-機(jī)系統(tǒng)的能力匹配，需要通過可變權(quán)限的自主控制，使得控制的權(quán)限在飛行員、輔助系統(tǒng)、自主系統(tǒng)之間動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移。同時(shí)需要解決人-機(jī)合作行為控制的問題，主要包括：人為干預(yù)/意圖的數(shù)學(xué)建模與推理判斷，合作行為控制器的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其多回路控制穩(wěn)定性分析等。

在編隊(duì)協(xié)同控制技術(shù)研究方向上，主要的研究?jī)?nèi)容包括隊(duì)形設(shè)計(jì)與保持、隊(duì)形動(dòng)態(tài)調(diào)整與變換、編隊(duì)飛行控制、編隊(duì)重構(gòu)控制、編隊(duì)防撞/避障等。例如，在編隊(duì)飛行控制中，常見的實(shí)現(xiàn)方法包括：Leader-Follower方法、基于行為的方法、虛擬結(jié)構(gòu)法、一致性方法等。

5 無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)特征與發(fā)展趨勢(shì)

無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)的發(fā)展途徑基本上是以傳統(tǒng)的制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制（GNC）系統(tǒng)為基礎(chǔ)，借鑒已有的技術(shù)基礎(chǔ)和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)無(wú)人機(jī)任務(wù)和環(huán)境的復(fù)雜性、動(dòng)態(tài)性和不確定性，并考慮相應(yīng)的人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)，在其各項(xiàng)功能上進(jìn)行面向自主性要求的拓展。在這一螺旋迭代、漸進(jìn)發(fā)展過程中，無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)呈現(xiàn)出以下較為典型的技術(shù)特征和趨勢(shì)。

5.1 控制對(duì)象向混合、動(dòng)態(tài)的復(fù)雜大系統(tǒng)發(fā)展

無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)不僅需要實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)平臺(tái)的自主飛行，而且需要結(jié)合所執(zhí)行的任務(wù)，面向各種不確定性，實(shí)現(xiàn)任務(wù)自適應(yīng)自主飛行。更進(jìn)一步，隨著參與飛行和任務(wù)無(wú)人機(jī)數(shù)量的增加，還需要實(shí)現(xiàn)多無(wú)人機(jī)協(xié)同任務(wù)自適應(yīng)自主飛行。顯然，控制的要求已不再是單一的飛行控制，目標(biāo)也隨著飛行和任務(wù)的不同變得多樣且可能互相制約。因此無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)無(wú)疑是一個(gè)多結(jié)構(gòu)、多尺度、多模式混合的復(fù)雜大系統(tǒng)，具有離散符號(hào)和連續(xù)動(dòng)力學(xué)混雜的典型特征，而且除控制外，還涉及感知、信息交互、決策、管理等多方面內(nèi)容。

早在30 多年前，關(guān)肇直和許國(guó)志兩位先賢針對(duì)當(dāng)時(shí)流行的大系統(tǒng)熱就明確地指出：“系統(tǒng)規(guī)模大不是問題的實(shí)質(zhì)，從理論上講規(guī)模大的線性系統(tǒng)與規(guī)模較小的線性系統(tǒng)并無(wú)本質(zhì)上的差異，問題在于非線性，而特別值得研究的是上層由運(yùn)籌學(xué)決定而下層由動(dòng)力學(xué)確定的復(fù)雜系統(tǒng)?！睙o(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)作為一個(gè)典型的事件驅(qū)動(dòng)與時(shí)間驅(qū)動(dòng)的混合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，正屬于上述復(fù)雜系統(tǒng)的范疇。

5.2 控制結(jié)構(gòu)向開放式層次化的控制系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)展

無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)作為一種典型大規(guī)模復(fù)雜智能化系統(tǒng)，功能要素多、邏輯關(guān)系多、層次結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)系統(tǒng)對(duì)周期、成本、維護(hù)性、通用性、擴(kuò)展性等都有較強(qiáng)的要求，所以其實(shí)現(xiàn)通常采用開放式層次化的控制系統(tǒng)架構(gòu)。自主控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)一般按照智能控制系統(tǒng)IPDI原則，建立系統(tǒng)的層次劃分架構(gòu)，且在各層次之間采用標(biāo)準(zhǔn)接口。這種開放式的系統(tǒng)架構(gòu)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，不僅便于不同系統(tǒng)部件之間的互連、互通和互操作，而且便于硬件和軟件的移植和重用，也便于系統(tǒng)功能的增強(qiáng)和擴(kuò)充。采用開放式層次化系統(tǒng)架構(gòu)，不僅可以提高系統(tǒng)的冗余和重構(gòu)能力，而且可以用最低的生命周期費(fèi)用達(dá)到所要求的任務(wù)性能和保障性，并為系統(tǒng)功能的擴(kuò)展和性能改進(jìn)奠定基礎(chǔ)。

此外，開放式系統(tǒng)架構(gòu)不僅涉及各種相關(guān)硬件，也涉及軟件。軟件開放系統(tǒng)、軟件可重復(fù)使用、軟件可變規(guī)模與硬件的開放性同樣重要，也是降低系統(tǒng)全壽命周期費(fèi)用、縮短研制開發(fā)周期的重要措施。例如，近年來(lái)由美國(guó)海軍航空系統(tǒng)司令部發(fā)起，廣受關(guān)注的“未來(lái)機(jī)載能力環(huán)境”（Future Airborne Capability Environment，F(xiàn)ACE）標(biāo)準(zhǔn)，就是一種典型的開放式軟件架構(gòu)策略，通過在已安裝好硬件的軍用航電平臺(tái)上建立軟件通用操作環(huán)境，使 FACE 組件應(yīng)用在不同平臺(tái)上可被重新部署，從而實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)的可移植性和重用性。

5.3 控制功能實(shí)現(xiàn)向標(biāo)準(zhǔn)模塊化設(shè)計(jì)發(fā)展

標(biāo)準(zhǔn)的模塊化設(shè)計(jì)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化和綜合化的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可重構(gòu)的基礎(chǔ)。對(duì)于自主控制系統(tǒng)，一方面基于開放式系統(tǒng)架構(gòu)，另一方面結(jié)合面向功能實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)際上更多的是采用所謂“模塊化開放式系統(tǒng)架構(gòu)（Modular Open System Approach，MOSA）”思想，可視為是綜合模塊化航電（Integrated Modular Avionics，IMA）設(shè)計(jì)思想的擴(kuò)展和延伸，其實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)則主要包括：建立MOSA使能環(huán)境、采用模塊化設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)關(guān)鍵接口、使用開放式標(biāo)準(zhǔn)和驗(yàn)證一致性。

開放式系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)化模塊能有效地將各子系統(tǒng)集成到更大的系統(tǒng)中，使需求和應(yīng)用相適應(yīng)，從而提升系統(tǒng)集成能力、縮短系統(tǒng)研發(fā)周期、節(jié)約系統(tǒng)維護(hù)成本，確保系統(tǒng)能夠與其他所有相關(guān)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互操作。在無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中，根據(jù)MOSA思想，同時(shí)結(jié)合軟件使能控制（Software Enabled Control，SEC）中的開放式控制平臺(tái)（Open Control Platform，OCP）技術(shù)，采用標(biāo)準(zhǔn)化的物理/邏輯接口，將系統(tǒng)的各種功能進(jìn)行模塊化分解與積木式集成，在可擴(kuò)展的框架下實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同的可配置應(yīng)用，從而更好地滿足系統(tǒng)開放性、可擴(kuò)展、可配置、便于維護(hù)/升級(jí)等要求。此外，結(jié)合低成本可消耗的需求，近年來(lái)美軍大力推進(jìn)的“馬賽克戰(zhàn)”也同樣是上述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)思想的延伸和發(fā)展。

5.4 控制算法設(shè)計(jì)向多變量、非線性方向發(fā)展

與有人駕駛飛機(jī)相比，由于機(jī)上無(wú)人，無(wú)人機(jī)（尤其是現(xiàn)代先進(jìn)無(wú)人機(jī)）的設(shè)計(jì)約束相對(duì)更少，從飛行包線、機(jī)動(dòng)性、敏捷性等角度出發(fā)，無(wú)人機(jī)可挖掘的潛力比有人駕駛飛機(jī)要大得多，這種潛力的有效釋放很大程度上依賴于優(yōu)秀的控制算法和控制策略。此外，在有人駕駛飛機(jī)的飛行控制律設(shè)計(jì)過程中，出于安全性、繼承性等考慮，實(shí)際操作中往往趨于保守，使得多變量、非線性控制技術(shù)的工程化應(yīng)用進(jìn)展相對(duì)緩慢。

現(xiàn)代先進(jìn)無(wú)人機(jī)作為一類典型的強(qiáng)非線性的多輸入多輸出系統(tǒng)，隨著任務(wù)和使命要求的不斷發(fā)展，其復(fù)雜程度和控制要求也在不斷提高，用于實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)飛行的控制算法設(shè)計(jì)也趨于復(fù)雜，呈現(xiàn)出多模態(tài)、多約束、多準(zhǔn)則的典型特征。為了在整個(gè)飛行包線內(nèi)保證系統(tǒng)穩(wěn)定，且具有良好的動(dòng)/靜態(tài)品質(zhì)，多變量、非線性控制技術(shù)有機(jī)會(huì)率先在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域得到應(yīng)用。而且近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外通過各類小型無(wú)人機(jī)的相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證與應(yīng)用，關(guān)鍵技術(shù)的成熟度得到了很大提升，并在逐步走向工程化實(shí)用［47-52］。

多變量、非線性控制技術(shù)在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用主要有兩個(gè)方向，分別面向如何使用和如何評(píng)價(jià)的問題。前者更關(guān)注的是多變量、非線性控制技術(shù)如何有效用于無(wú)人機(jī)控制對(duì)象，后者［53］側(cè)重基于多變量、非線性的無(wú)人機(jī)飛行品質(zhì)評(píng)價(jià)體系建立與評(píng)價(jià)方法研究。

5.5 系統(tǒng)綜合向以控制為核心的一體化綜合發(fā)展

由于系統(tǒng)自身及其應(yīng)用的復(fù)雜性，在無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程中，越來(lái)越多地需要以控制為核心，一體化地考慮所涉及的多方面相關(guān)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能力和性能的綜合提升，具體體現(xiàn)在以下典型方向。

5.5.1 導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制一體化

在綜合飛行器管理、航電系統(tǒng)綜合化等技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)下，導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制一體化是解決無(wú)人機(jī)系統(tǒng)面向功能、性能、可靠性等多約束優(yōu)化問題的一種低成本有效手段，已在微小飛行器、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈等小型無(wú)人飛行器上得到了廣泛應(yīng)用。柴天佑院士［54］也曾明確指出，導(dǎo)航制導(dǎo)一體化控制系統(tǒng)是運(yùn)載工具自動(dòng)化系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。

導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制一體化系統(tǒng)一般通過采用通用的開放式系統(tǒng)架構(gòu)及模塊化計(jì)算機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算處理能力共享，資源利用率高;同時(shí)可增強(qiáng)系統(tǒng)構(gòu)件、軟件的復(fù)用性，使系統(tǒng)易于升級(jí)和維護(hù)，且降低系統(tǒng)成本;此外，一體化的設(shè)計(jì)減小了系統(tǒng)的體積與質(zhì)量，為任務(wù)設(shè)備騰出更多的有效載荷。

5.5.2 面向先進(jìn)布局的氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、動(dòng)力與控制一體化

一方面，隨著主動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展和隨控布局設(shè)計(jì)思想的應(yīng)用，飛行器的設(shè)計(jì)理念已從被動(dòng)走向主動(dòng)，更多地將氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)和控制進(jìn)行綜合一體化考慮。例如在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，不再以增加結(jié)構(gòu)質(zhì)量為代價(jià)來(lái)提高結(jié)構(gòu)剛度，進(jìn)而回避氣動(dòng)彈性問題，而是可以通過在機(jī)翼上布置多個(gè)控制面，通過主動(dòng)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)其聯(lián)合偏轉(zhuǎn)，提高機(jī)翼控制氣流的能力，進(jìn)而主動(dòng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)氣動(dòng)彈性效應(yīng)，從而減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，優(yōu)化飛機(jī)性能。

另一方面，先進(jìn)布局無(wú)人機(jī)越來(lái)越多地采用各種創(chuàng)新的控制效應(yīng)，包括各種多元、混合、異構(gòu)的控制作用。例如，主動(dòng)氣流控制、射流矢量噴管、靈巧材料變形控制、連續(xù)氣動(dòng)控制面等，這些創(chuàng)新控制作用與常規(guī)氣動(dòng)控制面結(jié)合使用，可以滿足未來(lái)新氣動(dòng)布局飛行器的控制性能要求。這些新型控制效應(yīng)的實(shí)現(xiàn)，同樣需要對(duì)氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、動(dòng)力和控制進(jìn)行一體化綜合考慮。

5.5.3 面向不確定性的決策、管理與控制的一體化

基于分層遞階控制的觀點(diǎn)，飛行控制系統(tǒng)的控制功能從底層不斷向高層移動(dòng)，從常規(guī)控制拓展為決策、管理與控制的一體化綜合，對(duì)于有人駕駛飛機(jī)主要體現(xiàn)為智能輔助決策控制功能的實(shí)現(xiàn)，對(duì)于無(wú)人機(jī)則體現(xiàn)為具有處理不確定性能力的自主控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

面向飛行和任務(wù)中的不確定性，要求自主控制系統(tǒng)從一體化的角度系統(tǒng)地去設(shè)計(jì)和分析其中的決策、管理與控制各環(huán)節(jié)，系統(tǒng)地考慮決策、管理與控制的體系架構(gòu)、機(jī)制和實(shí)現(xiàn)途徑。需要在滿足決策、組織、協(xié)調(diào)、執(zhí)行的一致性功能要求基礎(chǔ)上，針對(duì)信息、事件和數(shù)據(jù)層階性的多尺度、多分辨率特征，進(jìn)行深入全面的考慮和研究，以便突破全局性、系統(tǒng)性和多目標(biāo)、多約束的設(shè)計(jì)、優(yōu)化、開發(fā)、綜合、試驗(yàn)、驗(yàn)證和評(píng)估等諸多關(guān)鍵性問題

5.5.4 網(wǎng)絡(luò)化信息環(huán)境下控制、計(jì)算與通信的一體化

在網(wǎng)絡(luò)化的信息環(huán)境下，面向任務(wù)的協(xié)同越來(lái)越重要，包括有人-無(wú)人的協(xié)同和無(wú)人智能體之間的協(xié)同。無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)的控制對(duì)象也從單一的飛行器平臺(tái)對(duì)象拓展為大量互聯(lián)和互操作的異構(gòu)物理與信息系統(tǒng)，因此系統(tǒng)體現(xiàn)出控制、計(jì)算與通信一體化的明顯特征。

分布式計(jì)算、通信與傳感環(huán)境下的飛行器控制系統(tǒng)中，分布的計(jì)算單元基于分布的指令和傳感信息計(jì)算控制規(guī)律，通過分布的執(zhí)行器控制分布的對(duì)象，以達(dá)到系統(tǒng)的控制目標(biāo)，這些分布的活動(dòng)是借助于分布的通信交互聯(lián)系，以及共同的任務(wù)協(xié)同而構(gòu)成一個(gè)完整的大系統(tǒng)。例如，在多無(wú)人機(jī)編隊(duì)或者任務(wù)協(xié)同中，通信拓?fù)涞淖兓?、通信延遲的波動(dòng)，都會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)的性能產(chǎn)生明顯的影響，需要結(jié)合控制要求，系統(tǒng)地對(duì)分布式計(jì)算/傳感/通信等環(huán)節(jié)進(jìn)行一體化考慮，從而獲取高品質(zhì)的系統(tǒng)控制功能和性能。

6 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展日新月異，相應(yīng)自主控制系統(tǒng)的功能和性能也日益完善和強(qiáng)大，所提供的自主能力水平不斷提升，正在實(shí)現(xiàn)“自動(dòng)”向“自主”的逐步跨越。本文主要基于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，針對(duì)無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)的基本能力需求、主要功能組成、核心關(guān)鍵技術(shù)、典型特征和未來(lái)發(fā)展等主要內(nèi)容，對(duì)相關(guān)研究和認(rèn)識(shí)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的梳理和論述，以期在工程實(shí)踐中厘清思路，有助于自主控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)相關(guān)工作的開展。限于篇幅和作者有限的認(rèn)識(shí)水平，很多重要內(nèi)容并未展開進(jìn)行論述，尤其是一些關(guān)鍵技術(shù)理論研究、技術(shù)細(xì)節(jié)和實(shí)施途徑等，有待在后續(xù)研究工作中有針對(duì)性地進(jìn)一步梳理與完善。

展望可預(yù)見的未來(lái)，從軍事應(yīng)用角度出發(fā)，以認(rèn)知/決策為中心的體系化智能作戰(zhàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的運(yùn)用及自主控制系統(tǒng)的發(fā)展提出了更高的要求?！白灾飨到y(tǒng)”、“智能化”作為未來(lái)無(wú)人機(jī)的核心要素體現(xiàn)在美國(guó)國(guó)防部、美空軍、美陸、北約的眾多重要報(bào)告文獻(xiàn)中。尤其是在“后網(wǎng)絡(luò)化”時(shí)代，認(rèn)知優(yōu)勢(shì)和決策優(yōu)勢(shì)在作戰(zhàn)中的地位越來(lái)越重要，使得美軍近年來(lái)在包括無(wú)人機(jī)的作戰(zhàn)運(yùn)用中，強(qiáng)調(diào)“認(rèn)知中心戰(zhàn)”、“以決策為中心的馬賽克戰(zhàn)”等新理念。因此，無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)未來(lái)研究與應(yīng)用的重點(diǎn)應(yīng)更多地集中于面向不確定性的智能化“認(rèn)知”和“決策”兩個(gè)主要方向上，需進(jìn)一步面向無(wú)人機(jī)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境和承擔(dān)的任務(wù)，開展有的放矢的工程化應(yīng)用研究。

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