《智能系統(tǒng)》第7章 自主無人系統(tǒng)

1、第七章自主無人系統(tǒng)7.1自主無人系統(tǒng)的概念和特征7.2系統(tǒng)組成和模型7.3研究和發(fā)展現(xiàn)狀7.4自組織網(wǎng)絡(luò)高級人工智能人才培養(yǎng)叢書of3117.5典型應(yīng)用案例習(xí)題7.1 自主無人系統(tǒng)的概念和特征of312 自主無人系統(tǒng)通常指通過融合人工智能、機電控制、計算機、通信、材料等多種先進技術(shù)進行自我操作或管理而不需要人工干預(yù)的人造系統(tǒng)。 自主化可以看作是自動化的外延，是智能化和更高能力的自動化。從這種意義上看，自主無人系統(tǒng)就是能夠持續(xù)監(jiān)視自身狀態(tài)，并根據(jù)內(nèi)部或外部事件自動調(diào)整其狀態(tài)和執(zhí)行操作以滿足預(yù)定目標(biāo)的系統(tǒng)。1. 基本概念 自主無人系統(tǒng)與人相比，人能夠更好地把握目標(biāo)任務(wù)，進行態(tài)勢評估，制定行動方案和

2、應(yīng)對特殊情況。但是，人不善于快速持續(xù)地處理大量數(shù)據(jù)，也不善于長時間保持注意力，而自主無人系統(tǒng)能夠彌補人的不足。自主無人系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)用，促使人工智能的研究從過去聚焦制造模擬人（生物）行為的機器擴展到對已有機器進行自主化和智能化的改造革新第七章 自主無人系統(tǒng)7.1 自主無人系統(tǒng)的概念和特征of3131自主表達的是行為方式，強調(diào)由自身決策完成某行為；智能則是完成行為過程的一種特殊能力，關(guān)注運用的方法及策略是否符合自然規(guī)律或人的行為規(guī)則。2自主與智能之間的關(guān)系應(yīng)該是：自主在前，智能在后，二者應(yīng)該相輔相成；自主未必智能，但自主希望有智能；智能依賴自主，智能的等級取決于自主權(quán)的高低，智能是自主與知識及其知

3、識運用的結(jié)合體。3因此，自主無人系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)遵循上述自主與智能的關(guān)系準(zhǔn)則。在構(gòu)造自主無人系統(tǒng)時，應(yīng)賦予系統(tǒng)相當(dāng)程度的自主和智能能力，以滿足系統(tǒng)自身的特點和人的需求。 自主性和智能性是自主無人系統(tǒng)最重要的兩個特征。利用人工智能的各種技術(shù)，如圖像識別、人機交互、智能決策、推理和學(xué)習(xí)，是實現(xiàn)和不斷改善自主無人系統(tǒng)這兩個特征的最有效方法。2關(guān)鍵特征第七章 自主無人系統(tǒng)第七章自主無人系統(tǒng)7.1自主無人系統(tǒng)的概念和特征7.2系統(tǒng)組成和模型7.3研究和發(fā)展現(xiàn)狀7.4自組織網(wǎng)絡(luò)高級人工智能人才培養(yǎng)叢書of3147.5典型應(yīng)用案例習(xí)題7.2 系統(tǒng)組成與模型第七章 自主無人系統(tǒng)of3151. 系統(tǒng)組成 自主無人系

4、統(tǒng)是一種智能化的自動控制系統(tǒng)，參照傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)3，自主無人系統(tǒng)主要由控制器，被控對象，執(zhí)行裝置（執(zhí)行器）和測量裝置（檢測器）四部分構(gòu)成。7.2 系統(tǒng)組成與模型第七章 自主無人系統(tǒng)of3162系統(tǒng)模型1）系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) AUS的體系架構(gòu)主要包含兩個主要部分：一是基于數(shù)據(jù)的實時感知和處理來獲悉環(huán)境信息，二是基于環(huán)境態(tài)勢的認(rèn)知進行自主調(diào)配和控制，強調(diào)人、機和環(huán)境的的互相依存關(guān)系和協(xié)調(diào)共生。依據(jù)這種思想，其體系架構(gòu)自下而上可以劃分為四個層級，分別是智能感知層、信息處理層、態(tài)勢認(rèn)識層和自主配置層。7.2 系統(tǒng)組成與模型第七章 自主無人系統(tǒng)of3172系統(tǒng)模型2）系統(tǒng)評價指標(biāo) 無人自主系統(tǒng)的性能表現(xiàn)依賴于

5、自主認(rèn)知、自主控制和群體智能三大評價指標(biāo)。具體而言，自主認(rèn)知一級指標(biāo)可以包括數(shù)據(jù)采集、碰撞避免、對象分類、對象識別、推理和語義理解等二級指標(biāo)；自主控制一級指標(biāo)可能包括載人、遠(yuǎn)程控制、故障診斷、提前設(shè)計、仿生和自主操作幾個二級指標(biāo)；群體智能一級指標(biāo)可包括結(jié)構(gòu)控制、任務(wù)規(guī)劃、合作、任務(wù)重規(guī)劃、合作探究和職責(zé)等二級指標(biāo)。7.2 系統(tǒng)組成與模型第七章 自主無人系統(tǒng)of3182系統(tǒng)模型3）系統(tǒng)設(shè)計要素 1信任度2自動化3自主化4人機協(xié)同5其他考慮第七章自主無人系統(tǒng)7.1自主無人系統(tǒng)的概念和特征7.2系統(tǒng)組成和模型7.3研究和發(fā)展現(xiàn)狀7.4自組織網(wǎng)絡(luò)高級人工智能人才培養(yǎng)叢書of3197.5典型應(yīng)用案例習(xí)題

6、7.3 研究發(fā)展現(xiàn)狀第七章 自主無人系統(tǒng)of3110 進入21 世紀(jì)以來， 隨著微電子、生命科學(xué)、自動化技術(shù)和人工智能技術(shù)的共同進步和相互滲透，共同推動著自主無人系統(tǒng)行業(yè)的快速發(fā)展。特別是最近10年，由于更先進模型和算法的提出以及計算機硬件計算能力的提高，特別是在深度學(xué)習(xí)出現(xiàn)之后，許多令人驚嘆的無人自主系統(tǒng)及應(yīng)用接踵而至。無人車，無人機、無人船以及家用和醫(yī)療機器人領(lǐng)域都得到了顯著的發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于環(huán)保、測繪、環(huán)衛(wèi)、安防軍事和民用等領(lǐng)域16。無人系統(tǒng)在枯燥任務(wù)、惡劣環(huán)境和危險任務(wù)領(lǐng)域具有獨特優(yōu)勢，在軍事、科技、經(jīng)濟、社會生活等各方面日益發(fā)揮重要的作用。軍事領(lǐng)域中,海洋、空間智能無人平臺可以進行

7、空中、地面和水下的作戰(zhàn)和偵察，無人機已大量用于空中戰(zhàn)術(shù)偵查、對地打擊、防空壓制、近距支援等任務(wù)；民用領(lǐng)域中, 智能無人平臺可以完成資源勘測、環(huán)境監(jiān)測等繁重重復(fù)或搶險救災(zāi)、資源調(diào)查等具有一定危險的任務(wù)。1. 研究應(yīng)用現(xiàn)狀7.3 研究發(fā)展現(xiàn)狀第七章 自主無人系統(tǒng)of31112. 發(fā)展趨勢 望未來，自主無人系統(tǒng)技術(shù)水平將不斷提升，使命任務(wù)將不斷拓展，裝備數(shù)量將保持增長。同時，自主無人系統(tǒng)將向多樣化、智能化、集群化、體系化等方向發(fā)展，以更好地適應(yīng)各類復(fù)雜環(huán)境。具體而言，未來自主無人系統(tǒng)的發(fā)展將呈現(xiàn)以下幾個明顯趨：1系統(tǒng)性能水平不斷提高2應(yīng)用任務(wù)領(lǐng)域持續(xù)拓展3智能自主水平穩(wěn)步提升4無人系統(tǒng)協(xié)同能力明顯發(fā)

8、展5集群作戰(zhàn)優(yōu)勢加快形成7.3 研究發(fā)展現(xiàn)狀第七章 自主無人系統(tǒng)of31123. 未來挑戰(zhàn) 無人系統(tǒng)已經(jīng)滲透到工業(yè)生產(chǎn)、社會治理、戰(zhàn)場空間等領(lǐng)域，極大改變了作戰(zhàn)樣式與生產(chǎn)生活方式，在軍事、產(chǎn)業(yè)、監(jiān)管、倫理等方面對國家安全和社會治理形成新的挑戰(zhàn)，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：1對戰(zhàn)爭形態(tài)產(chǎn)生新變革2對反恐維穩(wěn)構(gòu)成新威脅3對航空安全形成新影響4對法律監(jiān)管帶來新課題5對社會倫理造成新沖擊第七章自主無人系統(tǒng)7.1自主無人系統(tǒng)的概念和特征7.2系統(tǒng)組成和模型7.3研究和發(fā)展現(xiàn)狀7.4自組織網(wǎng)絡(luò)高級人工智能人才培養(yǎng)叢書of31137.5典型應(yīng)用案例習(xí)題7.4 自組織網(wǎng)絡(luò)第七章 自主無人系統(tǒng)of3114 自組織網(wǎng)

9、絡(luò)（Self-Organizing Network, SON）目前尚沒有明確的定義，它是伴隨移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展而引出的一套新型網(wǎng)絡(luò)理念和規(guī)范。SON最早由網(wǎng)絡(luò)運營商提出，其主要目的是實現(xiàn)移動無線網(wǎng)絡(luò)的一些自主功能，包括自配置、自優(yōu)化、自診斷和自保護等，從而減少人工參與，降低運營成本。 除了上述概念外，在移動通信領(lǐng)域，自組織網(wǎng)絡(luò)通常指以Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)為代表的無線自組網(wǎng)或移動自組網(wǎng)33。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種多跳的臨時性自治系統(tǒng)，它的原型是美國早在1968年建立的Aloha網(wǎng)絡(luò)和之后于1973提出的PR(Packet Radio)網(wǎng)絡(luò)。IEEE在開發(fā)802.11標(biāo)準(zhǔn)時，提出將PR網(wǎng)絡(luò)改名為Ad

10、 Hoc網(wǎng)絡(luò)，也即今天我們常說的移動自組織網(wǎng)絡(luò)。 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種移動通信和計算機網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)，是移動計算機網(wǎng)絡(luò)的一種，用戶終端可以在網(wǎng)內(nèi)隨意移動而保持通信。作為一種多跳的臨時性自治系統(tǒng)，在軍事、民用、商用等許多重要領(lǐng)域都具有獨特優(yōu)勢，隨著移動技術(shù)的不斷發(fā)展和人們?nèi)找嬖鲩L的自由通信需求，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)受到更多的關(guān)注，得到快速的發(fā)展和普及。7.4 自組織網(wǎng)絡(luò)第七章 自主無人系統(tǒng)of3115 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點間的路由通常由多個網(wǎng)段（跳）組成，由于終端的無線傳輸范圍有限，兩個無法直接通信的終端節(jié)點往往通過多個中間節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)來實現(xiàn)通信。所以，它又被稱為多跳無線網(wǎng)、自組織網(wǎng)絡(luò)、無固定

11、設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)或?qū)Φ染W(wǎng)絡(luò)。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)同時具備移動通信和計算機網(wǎng)絡(luò)的特點，可以看作是一種特殊的移動計算機通信網(wǎng)絡(luò)。第七章自主無人系統(tǒng)7.1自主無人系統(tǒng)的概念和特征7.2系統(tǒng)組成和模型7.3研究和發(fā)展現(xiàn)狀7.4自組織網(wǎng)絡(luò)高級人工智能人才培養(yǎng)叢書of31167.5典型應(yīng)用案例習(xí)題7.4 典型應(yīng)用實例第七章 自主無人系統(tǒng)of31171. 無人飛行器 無人飛行器(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)也稱無人飛行系統(tǒng)(Unmanned Aerial System，UAS)或無人駕駛飛機，簡稱無人機。無人機出現(xiàn)之初，人 們在定義無人機時采用的是最直觀的物理概念，只考慮了飛行員與飛機的

12、物理位置關(guān)系，即將無人機定義為沒有飛行員駕駛的飛機，最初的英文是Pilotless Aircraft19。隨著無線電遙控技術(shù)的發(fā)展，航空工程師使用了無線電在地面遙控?zé)o人機的飛行，這就出現(xiàn)了遙控飛行器(Remotely Piloted Aerial Vehicle, RPAV)和遙控飛行系統(tǒng)(Remotely Piloted Aircraft System, RPAS)的概念，在此期間也有人使用Uninhabited Aerial Vehicle稱呼無人機18。Unmanned Aircraft System (UAS)這一術(shù)語最早出現(xiàn)在美國國防部頒布的無人機路線圖20052030報告中，并在之

13、后被廣泛使用。美國國防部給UAS的定義是：指不載有操作人員、利用空氣動力提供升力、可以自主飛行或遙控駕駛、可以一次使用也可回收使用、攜帶致命或非致命有效載荷的有動力飛行器。7.4 典型應(yīng)用實例第七章 自主無人系統(tǒng)of31181. 無人飛行器 依據(jù)UAS的定義，無人機的基本內(nèi)涵有3個要點41：1）飛機上無駕駛?cè)藛T；2）飛機能完成一定的使命任務(wù)；3）飛機可以重復(fù)使用。按照這樣定義，彈道或半彈道飛行器、巡航導(dǎo)彈和炮彈不能看作是無人飛行器，原因是導(dǎo)彈不能回收；目前遙控航模飛機是否屬于無人機仍有爭論，因為很多控航空模型飛機只是通過人的操縱在視距內(nèi)進行表演娛樂活動，因此普遍遙控航模飛機認(rèn)為不屬于無人機范疇

14、， 從無人機的英文術(shù)語看，unmanned意指無人機應(yīng)同時具備兩個含義：人不在飛機上并且人不操控飛機，飛機能夠正常飛行，也就是說無人機從起飛準(zhǔn)備-滑行-起飛-空中飛行-返場著陸-退出關(guān)停的全過程都可不需要人介入，這應(yīng)該更能體現(xiàn)“真正”無人機的內(nèi)涵。 技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)階段，無人機的飛行可與人沒有直接關(guān)系，即人與無人機二者存在隔離的狀態(tài)；從廣義上講，由于無人機作為一類可飛行的工具或武器，人要使用它，就必須明確人機權(quán)限問題：人是無人機的主宰，無人機的行為要聽從人的管控，但人的自身能力、精力以及精確控制飛機能力的限制，不可能時時刻刻管控?zé)o人機，因此無人機必須要有獨立自主工作的能力。7.4 典型應(yīng)用實例第七

15、章 自主無人系統(tǒng)of31191. 無人飛行器 依人機經(jīng)過一個多世紀(jì)的發(fā)展，其演變與發(fā)展是全方位的，已形成了種類繁多、形態(tài)各異、豐富多彩的現(xiàn)代無人機家族。無人機發(fā)展最根本的變化是其飛行操控方式的變化。按照無人機飛行控制方式的不同，無人機大致可以分為：遙控飛行無人機、遙控加局域自動飛行無人機、全自動飛行無人機、全自動加局域自主飛行無人機、全自主飛行無人機。目前，國際上無人機的最高水平是全自動加局域自主飛行無人機，全自主飛行無人機仍處于開發(fā)實驗階段。7.4 典型應(yīng)用實例第七章 自主無人系統(tǒng)of31201. 無人飛行器 無人機是一種典型的自主式無人駕駛系統(tǒng)，主要包括飛行器平臺、控制站、通信站與發(fā)射回收

16、裝置四大部分。飛行器平臺又包括飛機機體、飛控系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、任務(wù)設(shè)備、電氣系統(tǒng)與通信系統(tǒng)等。控制站主要包括顯示系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)及保障維修系統(tǒng)；通信站可以建在地面，也可以設(shè)在車、船或其他平臺上；發(fā)射回收裝置保證無人機順利升空以達到安全的高度和速度飛行，并在執(zhí)行完任務(wù)后從天空安全回落到地面。7.4 典型應(yīng)用實例第七章 自主無人系統(tǒng)of31212. 無人駕駛汽車 無人駕駛汽車（Pilotless Automobile或Driverless Cars）是智能汽車的一種，也稱輪式移動機器人或簡稱無人車，主要依靠車內(nèi)的基于人工智能和計算機通信系統(tǒng)實現(xiàn)的智能駕駛儀來實現(xiàn)無人駕駛的目的51。按照百度百

17、科的定義，無人駕駛汽車是通過車載傳感系統(tǒng)感知道路環(huán)境，并根據(jù)感知所獲得的道路、車輛位置和障礙物信息，自動規(guī)劃行車路線并控制車輛的轉(zhuǎn)向和速度，從而使車輛能夠安全、可靠地在道路上行駛，實現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)的智能汽車。隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字化、信息化和智能化越來越多的應(yīng)用到人類社會的生產(chǎn)、生活的各個方面，曾經(jīng)只能在科普小說中看到的智能無人駕駛汽車已經(jīng)不再是虛幻的，人們在不久的將來將能在現(xiàn)實中看見智能無人駕駛汽車。7.4 典型應(yīng)用實例第七章 自主無人系統(tǒng)of31222. 無人駕駛汽車 無人駕駛汽車的分類方法很多，按照駕駛的自動化程度，無人駕駛汽車大致可以分成4大類：分別是駕駛輔助系統(tǒng)，部分自動化系統(tǒng)，高度自動化系統(tǒng)以及完全自動化系統(tǒng)。7.4 典型應(yīng)用實例第七章 自主無人系統(tǒng)of31232. 無人駕駛汽車 無人駕駛汽車區(qū)別于有人駕駛汽車的本質(zhì)在于它能夠通過感知環(huán)境信息做出科學(xué)決策，進而自主實施反饋控制，其核心組成結(jié)構(gòu)如圖7-14所示，主要包括感知層、決策和控制三個層次。第七章自主無人系統(tǒng)7.1自主無人系統(tǒng)的概念和特征7.2系統(tǒng)組成和模型7.3研究和發(fā)展現(xiàn)狀7.4自組織網(wǎng)絡(luò)高級人工智能人才培養(yǎng)叢書of31247.5典型應(yīng)用案例習(xí)題習(xí)題：1 什么是自主無人系統(tǒng)？它與自動控制系統(tǒng)有哪些區(qū)別？2 自主無人系統(tǒng)的主要特征有哪些？你是如何理解這些特征的？3