自主無人系統(tǒng)自主無人系統(tǒng)（AutonomousUnmannedSystem，AUS）是人工智能的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一，其研究發(fā)展可大力推動(dòng)人工智能技術(shù)的創(chuàng)新和落地。當(dāng)前，在政府和相關(guān)機(jī)構(gòu)的倡導(dǎo)扶持下，我國人工智能正從弱智能向強(qiáng)智能穩(wěn)步前行，希冀在人工智能前沿研究中占據(jù)一席之地[1]。研制自主無人系統(tǒng)，已成為人工智能發(fā)展程度的標(biāo)志性成果之一，自主無人系統(tǒng)智能化水平的提升可以顯著推進(jìn)科技與經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，進(jìn)一步提高人們的生活質(zhì)量。在可預(yù)見的未來，自主無人系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)將成為世界經(jīng)濟(jì)騰飛的新引擎，引領(lǐng)智能產(chǎn)業(yè)與生態(tài)的發(fā)展。本章將對(duì)自主無人系統(tǒng)的概念、組成、發(fā)展現(xiàn)狀和相關(guān)研究成果進(jìn)行系統(tǒng)闡述：首先介紹自主無人系統(tǒng)的基本概念和關(guān)鍵特征，以及其一般的系統(tǒng)組成和模型架構(gòu)；然后較為全面地歸納自主無人系統(tǒng)的研究和發(fā)展現(xiàn)狀；最后分門別類地介紹幾種典型的自主無人系統(tǒng)，包括自組織網(wǎng)絡(luò)、無人飛行器和無人駕駛汽車。自主無人系統(tǒng)的概念和特征基本概念自主無人系統(tǒng)由來已久，并不是新鮮事物。自古以來，人類為了各種目的創(chuàng)造了許多無須人操作的自動(dòng)系統(tǒng)，包括用于軍事指揮的指南車、用于水利灌溉的水轉(zhuǎn)筒車、用于計(jì)時(shí)的漏壺、自報(bào)行車?yán)锍痰墓能?、檢測(cè)地震的候風(fēng)地動(dòng)儀等。到了近代，人類研發(fā)了大量應(yīng)用于各行各業(yè)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，如輔助飛機(jī)操控的陀螺自動(dòng)駕駛儀和輔助產(chǎn)品生產(chǎn)的流水線控制系統(tǒng)等。隨著科技的進(jìn)步，無人系統(tǒng)的技術(shù)水平也逐漸提高，特別是人工智能的飛速發(fā)展，促使自主無人系統(tǒng)達(dá)到了較高水平，各種類型的自主無人系統(tǒng)相繼問世，包括空中無人系統(tǒng)（無人機(jī)）、地面無人系統(tǒng)（無人車）和海上無人系統(tǒng)（無人船）等，對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生了顯著影響[2]。傳統(tǒng)意義上的自動(dòng)化系統(tǒng)定義為“在沒有或較少人工參與的情況下，完成特定操作，實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的設(shè)備或系統(tǒng)”，自動(dòng)化系統(tǒng)可在特定態(tài)勢(shì)下執(zhí)行可靠且可預(yù)測(cè)的行動(dòng)[3]。自主無人系統(tǒng)通常是指通過融合人工智能、機(jī)電控制、計(jì)算機(jī)、通信、材料等多種先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行自我操作或管理而不需要人工干預(yù)的人造系統(tǒng)。自主無人系統(tǒng)通過將人工智能融入傳統(tǒng)的無人自動(dòng)化系統(tǒng)而具有智能的自主性。自主性定義為某實(shí)體基于自身知識(shí)和對(duì)環(huán)境的理解，獨(dú)立執(zhí)行和選擇不同行動(dòng)過程以實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的能力[4]。自主無人系統(tǒng)充分運(yùn)用了人工智能技術(shù)，可以應(yīng)對(duì)非程序化或非預(yù)設(shè)態(tài)勢(shì)，具有一定的自我管理和自我引導(dǎo)能力。因此，與自動(dòng)化設(shè)備或系統(tǒng)相比，自主無人系統(tǒng)能夠應(yīng)對(duì)復(fù)雜多樣的環(huán)境，完成更廣泛的操作和控制，具有更廣闊的應(yīng)用潛力。如果說傳統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)解放了人的體力，自主無人系統(tǒng)更多的是解放了人的腦力。若要實(shí)現(xiàn)自主性，系統(tǒng)需要具備良好的感知能力和對(duì)環(huán)境的理解能力，能夠進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別、分類和判定，并能應(yīng)對(duì)突發(fā)事件或態(tài)勢(shì)[5]。一般來說，自主化是指應(yīng)用傳感器和復(fù)雜軟件，使設(shè)備或系統(tǒng)在較長時(shí)間內(nèi)無須其他外部干預(yù)就能夠獨(dú)立完成任務(wù)，能夠在未知環(huán)境中自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并保持系統(tǒng)良好運(yùn)轉(zhuǎn)的過程。自主化可以看作自動(dòng)化的外延，是智能化和更高能力的自動(dòng)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(dòng)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)。與自主無人系統(tǒng)相比，人能夠更好地把握目標(biāo)任務(wù)，進(jìn)行態(tài)勢(shì)評(píng)估，制訂行動(dòng)方案和應(yīng)對(duì)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(shí)間保持注意力，而自主無人系統(tǒng)能夠彌補(bǔ)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(jī)器擴(kuò)展到對(duì)已有機(jī)器進(jìn)行自主化和智能化的改造革新[6]。關(guān)鍵特征自主性和智能性是自主無人系統(tǒng)最重要的兩個(gè)特征。人工智能的各種技術(shù)，如圖像識(shí)別、人機(jī)交互、智能決策、推理和學(xué)習(xí)，是實(shí)現(xiàn)和不斷改善自主無人系統(tǒng)這兩個(gè)特征的最有效的方法[7]。低，智能是自主與知識(shí)及知識(shí)運(yùn)用的結(jié)合體[8]。因此，自主無人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shí)，應(yīng)賦予系統(tǒng)相當(dāng)程度的自主和智能能力，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自身的特點(diǎn)和滿足人的需求。顯而易見，自主和智能是分層次和等級(jí)的[9]。如今，大部分的無人系統(tǒng)實(shí)際上只是實(shí)現(xiàn)了某種程度上的自動(dòng)化，如當(dāng)前的無人機(jī)和無人車在很多情況下都需要人力遙控或配合操作。未來，這些無人設(shè)備將會(huì)包含更多自主性功能，既可通過遙控進(jìn)行操作，也可能是半自主化或全自主化的。自動(dòng)化系統(tǒng)由指定的規(guī)則控制，不允許有任何偏差，而自主無人系統(tǒng)由允許系統(tǒng)偏離基本線的寬泛規(guī)則控制。自主無人系統(tǒng)的自主權(quán)限首先受人（使用者）限制，同時(shí)也受自身能力和使用環(huán)境的制約，如地理天氣環(huán)境和任務(wù)要求等。由于自主無人系統(tǒng)是在人授權(quán)下工作的，系統(tǒng)由人賦予一定的智能，在賦予智能過程中，難免會(huì)出現(xiàn)人類無法管控的干擾因素，導(dǎo)致自主無人系統(tǒng)出現(xiàn)人們沒有預(yù)料又無法控制的情況，并且這些失控現(xiàn)象可能是暫時(shí)的也可能是持續(xù)的[5]。但是，隨著人工智能技術(shù)的進(jìn)步，今后將會(huì)研發(fā)出具有更高自主能力的系統(tǒng)（從遙控和自動(dòng)化系統(tǒng)到近乎完全自主的系統(tǒng)），以支持各種任務(wù)的需要。系統(tǒng)組成和模型系統(tǒng)組成自主無人系統(tǒng)是一種智能化的自動(dòng)控制系統(tǒng)，參照傳統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)[3]，自主無人系統(tǒng)主要由控制器、被控對(duì)象、執(zhí)行裝置（執(zhí)行器）和測(cè)量裝置（檢測(cè)器）四部分構(gòu)成，如圖7-1所示。圖7-1 自主無人系統(tǒng)組成框圖控制器：指可按照預(yù)定順序改變主電路或控制電路的接線，以及改變電路中的電阻號(hào)大小的裝置或元件；相比于傳統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)，自主無人系統(tǒng)的控制器是一種智能控制器，具有相當(dāng)程度的自主性和智能性。被控對(duì)象（控制對(duì)象）：一般指自動(dòng)控制系統(tǒng)中需要控制工藝參數(shù)的生產(chǎn)設(shè)備或機(jī)設(shè)備的全部。測(cè)量裝置（檢測(cè)器）：檢測(cè)工藝參數(shù)并將測(cè)量值以特定的信號(hào)形式傳送出去，以便節(jié)器和指示記錄儀中，進(jìn)行調(diào)節(jié)、指示和記錄。執(zhí)行裝置：接收經(jīng)過放大的偏差信號(hào)，直接驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象，使被控變量發(fā)生變化，或其他裝置驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象。除了上述四大部分，系統(tǒng)往往還需要特定的比較元件和放大元件，比較元件將檢測(cè)元件輸出的反饋信號(hào)與給定信號(hào)相比較，決定偏差信號(hào)的大小和方向（正負(fù)）。由于偏差信號(hào)一般較小，因此要通過放大元件進(jìn)行電壓放大和功率放大才能驅(qū)動(dòng)執(zhí)行裝置。比較元件和放大元件經(jīng)常組合在—起，也稱為調(diào)節(jié)器。按控制原理的不同，自主無人系統(tǒng)分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)[10]。在開環(huán)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)輸出只受輸入的控制，控制精度和抑制干擾的特性都比較差。在開環(huán)控制系統(tǒng)中，按時(shí)序進(jìn)行邏輯控制的系統(tǒng)稱為順序控制系統(tǒng)，其由順序控制裝置、檢測(cè)元件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和被控工業(yè)對(duì)象所組成，主要應(yīng)用于機(jī)械、化工、物料裝卸運(yùn)輸?shù)冗^程的控制及機(jī)械手和生產(chǎn)自動(dòng)線。閉環(huán)控制系統(tǒng)是建立在反饋原理基礎(chǔ)上的，利用輸出量同期望值的偏差對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，可獲得比較好的控制性能。閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱為反饋控制系統(tǒng)。自主無人系統(tǒng)通常以閉環(huán)的形式控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，涉及環(huán)境的外部輸入激勵(lì)和系統(tǒng)自身的內(nèi)部反饋調(diào)節(jié)。具體來說，自主控制行為通常包括以下步驟：實(shí)時(shí)環(huán)境狀態(tài)監(jiān)控，分析系統(tǒng)可用信息，謀劃未來行為，按照特定的高層目標(biāo)來執(zhí)行生成的操作計(jì)劃。按給定信號(hào)分類，自主無人系統(tǒng)可分為恒值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)[10]。恒值控制系統(tǒng)中的給定值不變，要求系統(tǒng)輸出量以一定的精度接近給定的希望值。間函數(shù)變化，如程控機(jī)床屬于程序控制系統(tǒng)。系統(tǒng)模型系統(tǒng)體系架構(gòu)自主無人系統(tǒng)的體系架構(gòu)主要包含兩個(gè)部分：一是基于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)感知和處理來獲悉環(huán)境信息；二是基于環(huán)境態(tài)勢(shì)的認(rèn)知進(jìn)行自主調(diào)配和控制，強(qiáng)調(diào)人、機(jī)和環(huán)境的互相依存關(guān)系和協(xié)調(diào)共生[5]。依據(jù)這種思想，其體系架構(gòu)自下而上可以劃分為4個(gè)層級(jí)，分別是智能感知層、信息處理層、態(tài)勢(shì)認(rèn)知層和自主配置層，如圖7-2所示。圖7-2 自主無人系統(tǒng)的分層體系架構(gòu)始數(shù)據(jù)信息的情況下最大限度地減少傳輸開銷。發(fā)揮效能的關(guān)鍵是算法適應(yīng)環(huán)境變化的魯棒性。適應(yīng)能力，保持在能夠接受的性能范圍之內(nèi)，避免非預(yù)期的故障停機(jī)。系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)一般來說，自主無人系統(tǒng)的性能表現(xiàn)依賴于自主認(rèn)知、自主控制和群體智能三大評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中每項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)又可進(jìn)一步劃分為幾個(gè)二級(jí)指標(biāo)，如圖7-3所示[2]。具體而言，自作探究和職責(zé)等二級(jí)指標(biāo)。圖7-3 自主無人系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系系統(tǒng)設(shè)計(jì)要素信任度人對(duì)自主無人系統(tǒng)的信任對(duì)于系統(tǒng)的自主化至關(guān)重要[11]。例如，在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，作戰(zhàn)人員和自主作戰(zhàn)系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)，作戰(zhàn)人員需要明確對(duì)自主作戰(zhàn)系統(tǒng)任務(wù)執(zhí)行能力的信任度。該信任度不僅體現(xiàn)了系統(tǒng)的可靠性，也是系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)優(yōu)良性的重要評(píng)價(jià)依據(jù)?；诖?，作戰(zhàn)人員需要對(duì)自主作戰(zhàn)系統(tǒng)建立可靠的信任——明確何時(shí)、以哪種程度使用自主作戰(zhàn)系統(tǒng)或何時(shí)進(jìn)行干預(yù)。對(duì)自主作戰(zhàn)系統(tǒng)的信任評(píng)估基于對(duì)系統(tǒng)、人員及態(tài)勢(shì)因素的判斷。其中，系統(tǒng)因素包括自主作戰(zhàn)系統(tǒng)的有效性和可靠性、對(duì)其可靠性的主觀判斷、由于信任缺失或修復(fù)緩慢出現(xiàn)系統(tǒng)性能減弱甚至失效的頻率、系統(tǒng)的理解和預(yù)測(cè)能力、及時(shí)性和完整性；人員因素包括作戰(zhàn)人員的感知能力、信任意愿和其他個(gè)人因素；態(tài)勢(shì)因素包括時(shí)間限制、工作量，以及參與其他競(jìng)爭(zhēng)任務(wù)的需要等因素。實(shí)際上，對(duì)自主無人系統(tǒng)的使用既不能過分相信和依賴，也不能廢而不信，適度的信任能夠確保系統(tǒng)具有較高的可靠性，如圖7-4所示[2]。當(dāng)前，人工智能在道德思維方面的能力存在技術(shù)缺陷，這可能限制了公眾對(duì)開發(fā)的自主無人系統(tǒng)的信任。因此，引導(dǎo)使用人員對(duì)自主無人系統(tǒng)建立信任十分關(guān)鍵。反過來說，未來自主無人系統(tǒng)或能判斷其使用者對(duì)它的信任程度。信任是復(fù)雜的、多維的。因此，對(duì)自主無人系統(tǒng)的信任必須通過對(duì)表征行為和功能的關(guān)鍵指標(biāo)的持續(xù)評(píng)估來建立，從開發(fā)階段開始，一直持續(xù)到系統(tǒng)生命周期的所有階段。如果使用人員和自主無人系統(tǒng)之間沒有足夠的信任度，那么即便高度一致地工作，這些系統(tǒng)也將失去原有的價(jià)值。圖7-4 自主無人系統(tǒng)可靠性和信任度的關(guān)系自動(dòng)化自主無人系統(tǒng)的自動(dòng)化往往并不能實(shí)現(xiàn)降低使用人員工作量的預(yù)期目標(biāo)，有時(shí)甚至在低工作量水平時(shí)會(huì)增加使用人員的工作量。也就是說，自動(dòng)化高并不意味著智能性強(qiáng)[8]。隨著對(duì)自動(dòng)系統(tǒng)的理解及協(xié)作要求的增加，工作量往往從顯著可見的人力作業(yè)變成不那么明顯的感知任務(wù)。未來，需要建立易于理解和協(xié)作的自主無人系統(tǒng)，同時(shí)，應(yīng)基于以人為本的原則認(rèn)真考量選擇何種任務(wù)實(shí)現(xiàn)自主化，建立最佳人工—自主行動(dòng)系統(tǒng)。通常，自主無人系統(tǒng)用來支持使用人員執(zhí)行任務(wù)和做出決策，然而，事實(shí)證明，有效的決策支持是非常困難的。由于自主無人系統(tǒng)并不完美，因此自主無人系統(tǒng)決策的準(zhǔn)確性和及時(shí)性并不會(huì)有效提高。人們發(fā)現(xiàn)，向使用人員提供否定性建議的決策支持系統(tǒng)（如指出某計(jì)劃、行動(dòng)方案的潛在問題）運(yùn)行更好，使用人員可以通過環(huán)境態(tài)勢(shì)評(píng)估確認(rèn)潛在的不足或僵局。由于未來我們將更多地使用智能軟件和決策系統(tǒng)，因此需要對(duì)認(rèn)知協(xié)作給予特別關(guān)注，使其能夠提升而非降低使用人員決策能力。除此之外，還需要在人工—自主系統(tǒng)聯(lián)合行動(dòng)結(jié)果的基礎(chǔ)上切實(shí)檢驗(yàn)自主無人系統(tǒng)的應(yīng)用效能。自主化級(jí)別更快的決策任務(wù)。根據(jù)任務(wù)執(zhí)行能力、環(huán)境評(píng)估與數(shù)據(jù)整合能力、決策及方案生成能力的不同，自主無人系統(tǒng)具有不同的自主程度，不同的自主程度取決于環(huán)境及使命的復(fù)雜度，可能涉及一些人類活動(dòng)和非人類使用人員的干涉[12]，如何時(shí)選擇哪種功能、什么級(jí)別的自主無人系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)決策問題。一般情況下，使用人員會(huì)根據(jù)系統(tǒng)的性能水平、使用風(fēng)險(xiǎn)、可信程度、任務(wù)需求及協(xié)作關(guān)系等方面選擇使用不同的自主無人系統(tǒng)。人機(jī)協(xié)同在未來很長一段時(shí)間，需要自主無人系統(tǒng)和使用人員協(xié)同配合來完成特定任務(wù)。原因有進(jìn)行任務(wù)評(píng)估及與其他力量協(xié)同配合。為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)有效協(xié)作，自主無人系統(tǒng)與使用人員之間需要在彼此信任的基礎(chǔ)上共享態(tài)勢(shì)感知信息，如圖7-5所示[13]。態(tài)勢(shì)感知信息不僅涉及原始數(shù)據(jù)（一級(jí)SA），還包括理解任務(wù)目標(biāo)重要性的融合數(shù)據(jù)（二級(jí)SA）及預(yù)估近期將要或可能發(fā)生事件的數(shù)據(jù)（三級(jí)SA），這對(duì)前攝決策制定有著重要意義。態(tài)勢(shì)感知信息共享不僅意味著低層數(shù)據(jù)的共享，也包括根據(jù)任務(wù)目標(biāo)等因素理解信息和預(yù)測(cè)未來。除了系統(tǒng)自主化級(jí)別，自主無人系統(tǒng)的穩(wěn)健性、控制范圍和控制力度也影響著使用人員與自主無人系統(tǒng)間的協(xié)同合作，穩(wěn)健性包括系統(tǒng)的態(tài)勢(shì)感知能力、理解力和控制力。傳統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)十分脆弱，并且只能處理一些預(yù)設(shè)的情況。健壯的自主無人系統(tǒng)能夠應(yīng)對(duì)多種態(tài)勢(shì)，可迅速適應(yīng)變化的環(huán)境并為使用人員提供更兼容的聯(lián)合方案。控制的范圍越廣，系統(tǒng)自主化程度越高，同時(shí)對(duì)高效的人機(jī)通信要求也越高。圖7-5 自主無人系統(tǒng)和使用人員之間共享態(tài)勢(shì)感知信息其他考慮機(jī)器學(xué)習(xí)，特別是深度學(xué)習(xí)是人工智能中一個(gè)迅速發(fā)展的領(lǐng)域，它在許多領(lǐng)域具有推動(dòng)自主無人系統(tǒng)發(fā)展的巨大潛力。深度學(xué)習(xí)是一種有前途的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)形式，可以利用圖形處理單元（GPU）、傳統(tǒng)CPU和定制的神經(jīng)形態(tài)芯片來學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)中的模式和模型[14]。人工智能和及其學(xué)習(xí)將允許開發(fā)能夠自主學(xué)習(xí)和做出高質(zhì)量決策的系統(tǒng)。機(jī)器學(xué)習(xí)通過兩種方式支持自主無人系統(tǒng)：其一，提供類似人類與外部世界交互的感知和控制方式，先是接收信息，然后分析和控制；其二，將獲得的信息多層次抽象化，從而描述外部環(huán)境。當(dāng)自主無人系統(tǒng)獲得外部信息時(shí)，通過與外部環(huán)境的交互，同時(shí)選擇最佳應(yīng)對(duì)策略，系統(tǒng)就可以使用強(qiáng)化學(xué)習(xí)機(jī)制控制自身行動(dòng)。這些方法可以使系統(tǒng)具有通過收集到的數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)特定任務(wù)的能力，并以此可開發(fā)具有更高自主性的無人操作系統(tǒng)。能數(shù)據(jù)處理平臺(tái)在云環(huán)境中運(yùn)行計(jì)算，這可能不適合在無通信環(huán)境中操作的無人操作系能會(huì)變小[4]。數(shù)據(jù)質(zhì)量是設(shè)計(jì)自主無人系統(tǒng)必須解決的一個(gè)問題。高質(zhì)量數(shù)據(jù)是自動(dòng)化分析的基礎(chǔ)，高質(zhì)量數(shù)據(jù)是必要的，以便提高自動(dòng)化程度，并最終實(shí)現(xiàn)完全自主。未來幾十年，自主無人系統(tǒng)能力的擴(kuò)展在很大程度上將取決于人類和自主無人系統(tǒng)的有效合作能力[15]。近期，需要特別增強(qiáng)系統(tǒng)的操作安全性和效率，如無人機(jī)空中防撞和地面車輛的自動(dòng)安全特性。中期，自主算法、改進(jìn)的傳感器和計(jì)算機(jī)處理能力將改進(jìn)人和機(jī)器的合作（從任務(wù)級(jí)支持發(fā)展到操作上的支持），并允許機(jī)器直接協(xié)助人類進(jìn)行各種操作。例如，在無人駕駛系統(tǒng)中，提高自主水平將使無人操作系統(tǒng)具有領(lǐng)導(dǎo)—跟隨能力。研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)研究現(xiàn)狀概述進(jìn)入21共同推動(dòng)著自主無人系統(tǒng)行業(yè)快速發(fā)展。特別是最近10的發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于環(huán)保、測(cè)繪、環(huán)衛(wèi)、安防軍事和民用等領(lǐng)域[16]。自主無人系統(tǒng)在源調(diào)查等具有一定危險(xiǎn)的任務(wù)。目前，全美有近1700家公司研制了約4000種空中無人系統(tǒng)、地面無人系統(tǒng)和海洋無人系統(tǒng)[17]。自主無人系統(tǒng)數(shù)量規(guī)模的爆炸式發(fā)展，正在孕育從數(shù)量到質(zhì)量的蛻變，正在成為改變生產(chǎn)與生活的革命性技術(shù)之一。空中無人系統(tǒng)相對(duì)而言，空中無人系統(tǒng)是目前發(fā)展最成熟、裝備量最大、參戰(zhàn)最頻繁、應(yīng)用最廣泛的自主無人系統(tǒng)，已基本形成大、中、小結(jié)合，遠(yuǎn)、中、近程搭配的無人機(jī)體系，應(yīng)用領(lǐng)域持續(xù)拓展[18]。在軍用方面，情報(bào)、監(jiān)視、偵察仍是無人機(jī)最基本、最核心的應(yīng)用領(lǐng)域，美軍在其反恐作戰(zhàn)中，約80%的偵察監(jiān)視任務(wù)由無人機(jī)完成；隨著偵察/打擊一體無人機(jī)的出現(xiàn)，軍用無人機(jī)開始向主力作戰(zhàn)平臺(tái)轉(zhuǎn)變；以貨運(yùn)無人機(jī)在阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)中的成功使用為開端，軍用無人機(jī)開始在后勤保障領(lǐng)域嶄露頭角。在民用領(lǐng)域，農(nóng)林作業(yè)、治安反恐、地理測(cè)繪、攝影娛樂、應(yīng)急救援、氣象監(jiān)測(cè)等方面的應(yīng)用需求快速增長，以中小型無人機(jī)為代表的民用無人機(jī)正在世界范圍掀起發(fā)展熱潮。近年來，無人機(jī)部署規(guī)模不斷增大。美國列裝的無人機(jī)總數(shù)超過1萬架，“捕食者”“死神”長航時(shí)偵察/打擊一體無人機(jī)，以及“全球鷹”高空偵察無人機(jī)等中高端無人機(jī)數(shù)量超過400架；俄羅斯、以色列、英國等也在快速擴(kuò)大其高端無人機(jī)裝備規(guī)模；我國的“翼龍”“彩虹”和“利劍”等無人機(jī)已形成系列化產(chǎn)品并裝備部隊(duì)[19]。此外，美國等正積極推進(jìn)更先進(jìn)的無人機(jī)技術(shù)驗(yàn)證[20]：美國X-47B驗(yàn)證了無人機(jī)航母起降、自主空中加油等多項(xiàng)技術(shù)，美國軍方啟動(dòng)的“忠誠僚機(jī)”等項(xiàng)目推進(jìn)了有人/無人協(xié)同編隊(duì)、無人機(jī)空投與回收、無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)等新技術(shù)發(fā)展；歐洲地區(qū)、俄羅斯等在中空長航時(shí)、高空長航時(shí)、無人作戰(zhàn)飛機(jī)等方面均進(jìn)行了多次飛行驗(yàn)證。從產(chǎn)業(yè)規(guī)模上看，預(yù)計(jì)2020年，全球民用無人機(jī)年銷售量將超過400萬架，市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到260億美元；從研制企業(yè)上看，全球共有超過500家無人機(jī)公司，我國民用無人機(jī)研制單位超過130余家，我國2017年無人機(jī)出口接近80億元，2018年超過100億元[21]。地面無人系統(tǒng)目前，地面無人系統(tǒng)已大量裝備使用。在軍事領(lǐng)域，國外發(fā)展的地面無人系統(tǒng)超過300種，列裝的有200余種[22]。其中，便攜式地面無人系統(tǒng)占比達(dá)到85%，主要應(yīng)用于偵察監(jiān)視等輔助作戰(zhàn)任務(wù)；車載式地面無人系統(tǒng)大約占10%，可用于執(zhí)行探測(cè)、摧毀和路線清障等作戰(zhàn)任務(wù)；自行機(jī)動(dòng)式地面無人系統(tǒng)的數(shù)量很少，主要用于執(zhí)行班組支援、地雷探測(cè)與處理。美國裝備的地面無人系統(tǒng)數(shù)量超過1萬套，約占全球地面無人裝備總量的80%，在阿富汗、伊拉克等戰(zhàn)場(chǎng)中投入使用；以色列現(xiàn)裝備了“前衛(wèi)”“守護(hù)者”等無人車；英、法等國家已裝備并正在積極發(fā)展多款地面無人系統(tǒng)；俄羅斯自2011年以來，地面機(jī)器人裝備數(shù)量增長了3倍，一度落后世界先進(jìn)水平的局面正在扭轉(zhuǎn)。美國、歐洲地區(qū)近期重點(diǎn)開展模式識(shí)別、自主控制傳感器、自主防護(hù)系統(tǒng)、威脅識(shí)別與自適應(yīng)響應(yīng)、越障、集群協(xié)同等多項(xiàng)無人系統(tǒng)自主技術(shù)研究。已裝備的地面無人系統(tǒng)中，以色列的“先鋒哨兵”無人車具備較強(qiáng)的自主能力，能夠自動(dòng)設(shè)定行駛路線、規(guī)避障礙，在網(wǎng)絡(luò)中可與其他無人車協(xié)同作戰(zhàn)，可自主“跟隨”車輛或士兵行進(jìn)。目前，地面機(jī)器人已應(yīng)用于作戰(zhàn)行動(dòng)[20]。2016年，地面武裝機(jī)器人首次成功應(yīng)用于實(shí)最近幾年，軍用地面無人系統(tǒng)快速向民用領(lǐng)域拓展[21]。無人駕駛汽車成為各國科技巨頭關(guān)注的焦點(diǎn)，谷歌、特斯拉、Uber駛汽車已實(shí)現(xiàn)了200多萬英里（1英里=1.609344千米）2020年前完此外，無人救援機(jī)器人、無人消防機(jī)器人、無人拖拉機(jī)、家庭服務(wù)機(jī)器人等均已投入使用，正在深刻影響人們的工作與生活方式。海上無人系統(tǒng)長期沉寂的海上無人系統(tǒng)也呈現(xiàn)快速發(fā)展的可喜態(tài)勢(shì)。水面和水下無人系統(tǒng)主要執(zhí)行反水雷、情報(bào)監(jiān)視偵察、反潛戰(zhàn)、港口保護(hù)、科學(xué)探測(cè)等任務(wù)，目前已實(shí)現(xiàn)服役并日益受到各主要國家的關(guān)注[22]。在無人水面艦艇方面，美國、以色列、法國等國家均開展了相關(guān)裝備的研制[23]。美”級(jí)的“遙控獵雷系統(tǒng)”和“艦隊(duì)”級(jí)的“斯巴達(dá)偵察兵”反潛無人艇已經(jīng)服役，“X”級(jí)和“港口”級(jí)的無人艇正處于研發(fā)階段。近期，美國在新型無人艇研發(fā)和測(cè)試方面取得了較大進(jìn)展，特別是在反潛持續(xù)跟蹤無人艇“海上獵手”的研發(fā)方面取得了階段性突破。“海上獵手”可對(duì)安靜型潛艇實(shí)施長期貼身跟蹤。此外，美國近期重點(diǎn)關(guān)注無人水面艇蜂群技術(shù)發(fā)展，已驗(yàn)證了多艘無人艇的自主區(qū)域巡航、敵我識(shí)別、探測(cè)追蹤、跟蹤敵船等復(fù)雜任務(wù)能力。在無人潛航器方面，美國、俄羅斯、以色列、挪威等國家已有多型裝備交付部署，另有大直徑無人水下航行器、海洋多用途無人系統(tǒng)等多種型號(hào)裝備處于探索和發(fā)展中[24]。已部署系統(tǒng)多數(shù)用于反水雷，其余用于海洋調(diào)查、潛艇搜索和通信等任務(wù)；在研型號(hào)除反雷之外，重點(diǎn)用于偵察/打擊一體任務(wù)。世界先進(jìn)國家已基本解決了單個(gè)無人潛航器技術(shù)，并正在向多系統(tǒng)自主集群協(xié)同及海陸空集群協(xié)同發(fā)展，體系化、集群化及對(duì)新概念無人潛航器的探索成為未來的研究方向。我國無人潛航器技術(shù)已取得突出進(jìn)展，中國科學(xué)院、哈爾濱工程大學(xué)等單位都在該領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究，研發(fā)了“探索者”“潛龍”等標(biāo)志性系統(tǒng)。有人/無人自主協(xié)同此外，美軍當(dāng)前非常重視有人/無人自主協(xié)同技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，視其為一項(xiàng)重要的顛覆性技術(shù)。根據(jù)美國國防部《2011—2036財(cái)年無人系統(tǒng)綜合路線圖》，有人/無人平臺(tái)協(xié)同正在成為地面作戰(zhàn)的主要模式[25]。美國國防部《2013—2038財(cái)年無人系統(tǒng)綜合路線圖》中指出：“在美國全球戰(zhàn)略重心重返亞太地區(qū)的態(tài)勢(shì)下，建立有人/無人協(xié)同系統(tǒng)（Manned-UnmannedTeaming，MUM-T）將成為美國國防部的必要使命，未來將在沒有作戰(zhàn)人員干涉的情況下自主選擇并打擊目標(biāo)，進(jìn)而催生自主作戰(zhàn)概念?！盵26]美軍在無人自主作戰(zhàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)鑒定與評(píng)估方面，已經(jīng)先行10余年，從經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)到具體做法均有相當(dāng)積累。就我國而言，無人裝備已成為我軍武器發(fā)展的一個(gè)重要方向，已應(yīng)用于反恐、維穩(wěn)、排爆、偵察。隨著無人裝備投入使用，體系對(duì)抗的現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)逐漸形成了有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)的模式[21]。有人/無人自主協(xié)同技術(shù)大致分為有人/無人遙控、有人/無人半自主協(xié)同、有人/無人自主協(xié)同3個(gè)階段。在有人/無人遙控模式下，無人平臺(tái)沒有自主性，決策與行為完全依靠有人平臺(tái)。在有人/無人半自主協(xié)同模式下，無人平臺(tái)自主完成行為操作，有人平臺(tái)完成復(fù)雜決策操作。在高級(jí)的有人/無人自主協(xié)同模式下，有人/無人平臺(tái)功能對(duì)等，協(xié)同關(guān)系自發(fā)形成且強(qiáng)度動(dòng)態(tài)可調(diào)。自主網(wǎng)絡(luò)管理備，描述了系統(tǒng)模型和互操作接口[27]。在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的自主管理方面，美軍針對(duì)AdHoc網(wǎng)絡(luò)開發(fā)了AMPS（AdHocMobilityProtocolSuite）[28]，主要提供移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)合并和劃分機(jī)制，能夠使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥m應(yīng)節(jié)點(diǎn)和鏈路的動(dòng)態(tài)變化，提高移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性和健壯性。近年來，美軍針對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性，啟動(dòng)了DRAMA（DynamicRe-AddressingandManagementfortheArmy）項(xiàng)目，對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)管理和配置技術(shù)進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)開發(fā)工作，以便達(dá)到自主管理（Self-Management）的目標(biāo)，包括自形成（Self-Forming）、自配置（Self-Configuring）和自修復(fù)（Self-Healing）[29]。英國帝國理工學(xué)院將自主管理技術(shù)用于戰(zhàn)場(chǎng)條件或自然災(zāi)害下的無人駕駛汽車（UnmannedAutonomousVehicles，UAV）組成的無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)[30]，提出了一種自包含的、獨(dú)立于被管環(huán)境的Ponder2策略管理系統(tǒng)，目標(biāo)是使移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間能夠根據(jù)需求的改變自動(dòng)調(diào)整，也能夠監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)、環(huán)境變化、組件故障，并進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。在策略管理方個(gè)基于PDC代理的面向服務(wù)的自主計(jì)算系統(tǒng)模型[31]。該模型基于面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)和技術(shù)，把資源抽象為服務(wù)，并將服務(wù)作為代理的管理對(duì)象。代理在策略的指導(dǎo)下參與協(xié)作，實(shí)現(xiàn)服務(wù)的發(fā)現(xiàn)、協(xié)商、合成、認(rèn)證授權(quán)、過程監(jiān)視及異常處理等。發(fā)展趨勢(shì)展望未來，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(shí)，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(gè)明顯趨勢(shì)[2]。系統(tǒng)性能水平不斷提高。隨著新型動(dòng)力與能源，多樣化探測(cè)、識(shí)別技術(shù)，先進(jìn)通信應(yīng)用任務(wù)領(lǐng)域持續(xù)拓展。在軍事方面，將繼續(xù)提升自主無人系統(tǒng)的運(yùn)用范圍、靈活性、效能和適應(yīng)性，最終全面涉足對(duì)地、對(duì)海、對(duì)空、導(dǎo)彈防御和網(wǎng)電攻防等各任務(wù)領(lǐng)大市場(chǎng)前景。智能自主水平穩(wěn)步提升。自主能力是自主無人系統(tǒng)發(fā)展的最終目標(biāo)。隨著自主無人系統(tǒng)自主性的逐漸增長，將來自主無人系統(tǒng)在完成任務(wù)過程中所需人類的干預(yù)將大大減議，從而達(dá)到更自主的“人在回路上”甚至“人在回路外”的更高層次。此外，自主無人系統(tǒng)快速發(fā)展。協(xié)同能力明顯發(fā)展。實(shí)現(xiàn)有人與無人、無人系統(tǒng)間的協(xié)同作戰(zhàn)能力是各類自主無人的協(xié)同發(fā)展和聯(lián)合應(yīng)用；美國陸軍計(jì)劃建設(shè)一支由有人/無人系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)組成的現(xiàn)代化部隊(duì)；美國空軍驗(yàn)證了有人/無人機(jī)編組對(duì)目標(biāo)進(jìn)行自主打擊的能力；美海軍正在大力推進(jìn)空中、水面和水下自主無人系統(tǒng)協(xié)同能力發(fā)展，已驗(yàn)證了水下—水面—空中人機(jī)編組跨域協(xié)同作戰(zhàn)能力，力圖打造高效協(xié)同的新型海上作戰(zhàn)體系。集群作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)加快形成。自主無人系統(tǒng)集群指數(shù)十或數(shù)百套同類低成本無人系統(tǒng)像“蜂群”代機(jī)動(dòng)、數(shù)量提升能力、成本創(chuàng)造優(yōu)勢(shì)等特點(diǎn)，是自主無人系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。美國已經(jīng)開展了自主無人系統(tǒng)的集群研究，進(jìn)行了數(shù)十次無人機(jī)、無人艇的集群測(cè)試及編組和機(jī)動(dòng)飛行試驗(yàn)。近兩年，中美4次刷新了無人機(jī)集群飛行的規(guī)模。我國2017年完成了119架無人機(jī)集群飛行試驗(yàn)，再次刷新了無人機(jī)集群試驗(yàn)世界紀(jì)錄。未來挑戰(zhàn)自主無人系統(tǒng)已經(jīng)滲透到工業(yè)生產(chǎn)、社會(huì)治理、戰(zhàn)場(chǎng)空間等領(lǐng)域，極大地改變了作戰(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(duì)國家安全和社會(huì)治理形成了新的挑戰(zhàn)，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[19]。對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)產(chǎn)生新變革。軍用無人系統(tǒng)的快速發(fā)展，對(duì)傳統(tǒng)戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊，對(duì)作戰(zhàn)樣式提出新挑戰(zhàn)。無人裝備不受人類生理因素的限制，具備有人裝備難以具備的能力，將改變傳統(tǒng)作戰(zhàn)樣式，甚至產(chǎn)生新的作戰(zhàn)樣式，催生新的作戰(zhàn)理論，給傳統(tǒng)作戰(zhàn)方式帶來顛覆。以往戰(zhàn)場(chǎng)上單純由人操作裝備、人與人直接搏殺對(duì)抗的局面改變，開啟了戰(zhàn)爭(zhēng)走向無人化戰(zhàn)場(chǎng)的大門。自主無人系統(tǒng)武器化、隱形化、智能化程度不斷提高，現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)日益呈現(xiàn)零傷亡、非接觸、小型化等特點(diǎn)，作戰(zhàn)目的轉(zhuǎn)向節(jié)點(diǎn)摧毀、結(jié)構(gòu)破壞、體系癱瘓。無人作戰(zhàn)系統(tǒng)將廣泛滲透戰(zhàn)場(chǎng)各個(gè)角落，使未來戰(zhàn)爭(zhēng)成為完全意義上的全天候、全方位戰(zhàn)爭(zhēng)。無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用使現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)更多地依賴于智能較量，并對(duì)戰(zhàn)斗范圍和戰(zhàn)爭(zhēng)進(jìn)程產(chǎn)生直接性或決定性作用。此外，自主無人系統(tǒng)的發(fā)展將極大地改變未來作戰(zhàn)力量與裝備體系構(gòu)成，對(duì)現(xiàn)有裝備建設(shè)思路與模式提出了新的要求。對(duì)反恐維穩(wěn)構(gòu)成新威脅。小型無人系統(tǒng)具有用途廣、獲取容易、使用門檻低、威脅家反恐防暴、社會(huì)維穩(wěn)等構(gòu)成威脅。其主要威脅包括闖入軍事設(shè)施、政治場(chǎng)所等進(jìn)行拍物等各種違禁品。例如，2017年1月，美國觀察者網(wǎng)報(bào)道稱“伊斯蘭國”武裝力量在摩蘇爾逐漸成為世界主要國家維持安全穩(wěn)定面臨的新問題。對(duì)航空安全形成新影響。近年來，由于管控不嚴(yán)，小型無人機(jī)、無人航空器構(gòu)成的擾，挑戰(zhàn)公共安全、挑釁執(zhí)法能力的勢(shì)態(tài)愈演愈烈。例如，2015年7月，德國漢莎航空一架航班在華沙上空與無人機(jī)擦肩而過，迫使隨后的20架客機(jī)改變航線；2015生與無人機(jī)相關(guān)的事件共82起。我國也多次發(fā)生無人機(jī)違法違規(guī)飛行影響民航運(yùn)行的事件：2014航拍測(cè)繪，致多架民航飛機(jī)避讓延誤；成都自20178起無人機(jī)擾航事件，其中6起影響航班運(yùn)行，造成138架次航班返航備降。給法律監(jiān)管帶來新課題。由于自主無人系統(tǒng)的特殊性，其規(guī)范運(yùn)行、法律責(zé)任及監(jiān)斷涌現(xiàn)。例如，2016統(tǒng)法律體系產(chǎn)生巨大的沖擊和顛覆。對(duì)社會(huì)倫理造成新沖擊。自主無人系統(tǒng)的大量運(yùn)用導(dǎo)致一些前所未有的社會(huì)倫理挑作戰(zhàn)時(shí)，將出現(xiàn)對(duì)人類的誤傷甚至誤殺；三是在無人化戰(zhàn)場(chǎng)上，“死傷”的主要是可以大量再造的“智能機(jī)器”，這就會(huì)因戰(zhàn)爭(zhēng)風(fēng)險(xiǎn)降低而導(dǎo)致武力隨意使用，降低戰(zhàn)爭(zhēng)門檻。自組織網(wǎng)絡(luò)概念釋義自組織網(wǎng)絡(luò)（Self-OrganizingNetwork，SON）目前尚沒有明確的定義，它是伴隨移動(dòng)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(yùn)營商提出，其主要目的是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)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(hù)等，從而減少人工參與，降低運(yùn)營成本[32]。自配置指從設(shè)備安裝上電到用戶設(shè)備能夠正常接入進(jìn)行業(yè)務(wù)操作，這個(gè)過程在很少或完全沒有工程人員干預(yù)的前提下完成。它簡化了新站開通調(diào)測(cè)流程，減少了人為干預(yù)環(huán)節(jié)，降低了對(duì)工程施工人員的要求，目標(biāo)是做到即插即用，真正降低開站難度，從而減少運(yùn)維成本。自優(yōu)化指系統(tǒng)根據(jù)終端設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備的運(yùn)行性能測(cè)量狀況，對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行自我調(diào)整優(yōu)化，從而達(dá)到提高網(wǎng)絡(luò)性能和質(zhì)量，以及降低網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化成本的目的。自診斷指網(wǎng)絡(luò)問題的自我治愈，通過對(duì)系統(tǒng)告警和性能的檢測(cè)及時(shí)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)問題，并自檢測(cè)定位，部分或全部消除問題，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和用戶體驗(yàn)的最小化影響。自保護(hù)指管理系統(tǒng)能夠采取必要的措施以保護(hù)系統(tǒng)操作免受外來影響或破壞。例如，對(duì)邊緣路由器進(jìn)行接納控制配置來防止未授權(quán)的流量訪問網(wǎng)絡(luò)。除了上述概念，在移動(dòng)通信領(lǐng)域，自組織網(wǎng)絡(luò)還通常指以AdHoc網(wǎng)絡(luò)為代表的無線自組網(wǎng)或移動(dòng)自組網(wǎng)[33]。AdHoc網(wǎng)絡(luò)是一種多跳的臨時(shí)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年提出的PR（PacketRadio）網(wǎng)絡(luò)。IEEE在開發(fā)802.11標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，提出將PR網(wǎng)絡(luò)改名為AdHoc網(wǎng)絡(luò)，即今天人們常說的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)。AdHoc網(wǎng)絡(luò)是一種移動(dòng)通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)，是移動(dòng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的一種，用戶終端可以在網(wǎng)內(nèi)隨意移動(dòng)而保持通信。作為一種多跳的臨時(shí)性自治系統(tǒng)，其在軍事、民用、商用等許多重要領(lǐng)域都具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。隨著移動(dòng)技術(shù)的不斷發(fā)展和人們?nèi)找嬖鲩L的自由通信需求，AdHoc網(wǎng)絡(luò)受到了更多的關(guān)注，得到了快速的發(fā)展和普及。自組織網(wǎng)絡(luò)作為一種分布式網(wǎng)絡(luò)，是一種自治、多跳網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)沒有固定的基礎(chǔ)設(shè)施，可以在不能利用或不便利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施（如基站、AP）的情況下，提供終端之間的相互通信[34]。但是這并不意味著自組織網(wǎng)絡(luò)可以替代傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，由于終端的發(fā)射尤其適用于軍事通信和應(yīng)急通信等場(chǎng)合，和蜂窩網(wǎng)、Wi-Fi等共同組成未來的5G網(wǎng)絡(luò)，為物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等應(yīng)用提供信息基礎(chǔ)平臺(tái)。顯著特點(diǎn)在AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)間的路由通常由多個(gè)網(wǎng)段（跳）組成，由于終端的無線傳輸范圍有限，兩個(gè)無法直接通信的終端節(jié)點(diǎn)往往通過多個(gè)中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)來實(shí)現(xiàn)通信。因此，它又被稱為多跳無線網(wǎng)、自組織網(wǎng)絡(luò)、無固定設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)或?qū)Φ染W(wǎng)絡(luò)。AdHoc網(wǎng)絡(luò)同時(shí)具備移動(dòng)通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，可以看作一種特殊的移動(dòng)計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)[33]。圖7-6（a）中給出了AdHoc網(wǎng)絡(luò)的一種典型的物理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，圖7-6（b）所示為其邏輯結(jié)構(gòu)，圖中終端A和I無法直接通信，但A和I可以通過路徑A—B—G—I進(jìn)行通信。圖7-6 AdHoc網(wǎng)絡(luò)的物理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和邏輯結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)相比，AdHoc網(wǎng)絡(luò)具有以下顯著特點(diǎn)[35]。無中心和自組織性：AdHoc無須人工干預(yù)和預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，可以在任何時(shí)刻、任何地方快速展開并自動(dòng)組網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化：在AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)終端能夠隨意移動(dòng)并可調(diào)節(jié)功率或關(guān)閉受限的無線傳輸帶寬：由于無線信道本身的物理特性，AdHoc網(wǎng)絡(luò)所能提供的帶寬動(dòng)終端得到的實(shí)際帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論上的帶寬。移動(dòng)終端的局限性：移動(dòng)終端存在很多固有缺陷，如能源受限、內(nèi)存較小、CPU處等外設(shè)的功能和尺寸受限，不利于開展功能較復(fù)雜的業(yè)務(wù)。安全性差：由于采用無線信道、有限電源、分布式控制等技術(shù)，AdHoc到被動(dòng)竊聽、主動(dòng)入侵、拒絕服務(wù)、剝奪“睡眠”等網(wǎng)絡(luò)攻擊。要借助中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)，即形成了多跳通信網(wǎng)。表7-1所示為AdHoc網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的主要區(qū)別表7-1 AdHoc網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的主要區(qū)別網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)淇勺兊木W(wǎng)絡(luò)包含4種基本結(jié)構(gòu)[33]：中心式控制結(jié)構(gòu)、分層中心式控制結(jié)構(gòu)、完全分由于AdHoc網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能力通常相同，并且中心控制節(jié)點(diǎn)易被發(fā)現(xiàn)和易遭摧毀，AdHoc網(wǎng)絡(luò)不適合采用集中式控制結(jié)構(gòu)，特別是在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中。完全分布式控制結(jié)構(gòu)又稱為平面結(jié)構(gòu)，如圖7-7所示。在這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，所有節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)控制、路由選擇和流量管理上是平等的，原則上不存在瓶頸，網(wǎng)絡(luò)比較健壯。源站和目的站之間一般存在多條路小，相對(duì)較安全，但在用戶很多，特別是在移動(dòng)的情況下，存在處理能力弱、控制開銷中小型網(wǎng)絡(luò)。分層分布式控制結(jié)構(gòu)又稱為分級(jí)結(jié)構(gòu)，借鑒了完全分布式和分層中心式的優(yōu)點(diǎn)。分級(jí)結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)被劃分為簇。每個(gè)簇由一個(gè)簇頭和多個(gè)簇成員組成，由簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)簇間業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)。根據(jù)不同的硬件配置，分級(jí)結(jié)構(gòu)又可分為單頻分級(jí)和多頻分級(jí)兩種結(jié)構(gòu)。單頻分級(jí)結(jié)構(gòu)（見圖7-8）只有一個(gè)通信頻率，所有節(jié)點(diǎn)使用同一個(gè)頻率通信。為了實(shí)現(xiàn)簇頭之間的通信，要有網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的支持。簇頭和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)形成了高一級(jí)的網(wǎng)絡(luò)，稱為虛擬骨干網(wǎng)。而在多頻率分級(jí)網(wǎng)絡(luò)中，不同級(jí)采用不同的通信頻率。低級(jí)節(jié)點(diǎn)的通信范圍較小，而高級(jí)節(jié)點(diǎn)覆蓋較大的范圍。高級(jí)節(jié)點(diǎn)同時(shí)處于多個(gè)級(jí)中，有多個(gè)頻率，使用不同的頻率來實(shí)現(xiàn)不同級(jí)的通信。在圖7-9所示的兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)中，簇頭節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)頻率。頻率1用于簇頭與簇成員的通信；而頻率2用于簇頭之間的通信。目前在軍事系統(tǒng)中，規(guī)模較大的AdHoc網(wǎng)絡(luò)常采用分級(jí)結(jié)構(gòu)，而且簇的劃分和管理通常與作戰(zhàn)單位相對(duì)應(yīng)，不同簇的節(jié)點(diǎn)之間通信必須借助于簇間網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)完成。例如，以一個(gè)建制連作為一個(gè)簇，不同連間節(jié)點(diǎn)的通信必須通過營的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。圖7-7 平面結(jié)構(gòu)圖7-8 單頻分級(jí)結(jié)構(gòu)圖7-9 多頻分級(jí)結(jié)構(gòu)平面結(jié)構(gòu)的最大缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)規(guī)模受限。在平面結(jié)構(gòu)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要知道到達(dá)其他所有節(jié)點(diǎn)的路由，維護(hù)這些動(dòng)態(tài)變化的路由信息需要大量的控制消息。網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大，路由維護(hù)和網(wǎng)絡(luò)管理的開銷就越大。當(dāng)平面結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模增加到某個(gè)程度時(shí)，所有的帶寬都可能被路由協(xié)議消耗掉，因此網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)充性較差。分級(jí)結(jié)構(gòu)可以大大減少路由開銷，克服了平面結(jié)構(gòu)可擴(kuò)充性差的缺點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不受限制，并且可以通過增加簇的個(gè)數(shù)或網(wǎng)絡(luò)的級(jí)數(shù)來提高網(wǎng)絡(luò)的容量。分級(jí)結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)：需要簇頭選擇算法和簇維護(hù)機(jī)制；簇頭節(jié)點(diǎn)的任務(wù)相對(duì)較重，可能成為網(wǎng)絡(luò)的瓶頸；簇間的路由不一定能使用最佳路由。這些問題都是在設(shè)計(jì)分級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí)需要特別考慮的問題。分級(jí)后網(wǎng)絡(luò)被分成了相對(duì)獨(dú)立的簇，每個(gè)簇都有控制中心。有中心的TDMA、CDMA、輪詢等接入技術(shù)都可以在分級(jí)結(jié)構(gòu)中使用。有中心控制的路由、功率調(diào)整、移動(dòng)性管理和網(wǎng)絡(luò)管理等技術(shù)也可以移植到AdHoc網(wǎng)絡(luò)中來?？傊?dāng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模較小時(shí)，可以采用簡單的平面結(jié)構(gòu)；而當(dāng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大并需要提供一定的服務(wù)質(zhì)量保障時(shí)，宜采用分級(jí)結(jié)構(gòu)。路由協(xié)議AdHoc路由協(xié)議的主要作用是在自組織網(wǎng)絡(luò)中迅速準(zhǔn)確地計(jì)算到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由，同時(shí)通過監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘉砀潞途S護(hù)路由[36]。AdHoc網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)特性使得常規(guī)路由協(xié)議（如RIP、OSPF等）不再適用，原因是：動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫沟贸Ｒ?guī)路由協(xié)議難以收能量，嚴(yán)重降低系統(tǒng)性能。AdHoc路由協(xié)議的特點(diǎn)是快速、準(zhǔn)確、高效、可擴(kuò)展性好。路由信息，支持單向信道，盡量避免路由環(huán)路；高效指計(jì)算和維護(hù)路由的控制消息盡量長。按照路由信息獲取方式分類。依據(jù)路由信息的獲取方式，AdHoc路由協(xié)議大致可分為先驗(yàn)式（Proactive）、反應(yīng)式（Reactive）和混合式（Hybrid）路由協(xié)議。在先驗(yàn)式路由協(xié)議中（如DSDV、WRP和GSR等），每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)到達(dá)其他節(jié)點(diǎn)的路由信息的路由目的節(jié)點(diǎn)的路由。因此，這種路由協(xié)議的時(shí)延較小，但開銷較大。反應(yīng)式路由決議（如AODV、DSR和TORA等）不需要維護(hù)路由信息，當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)才查找路由。與先驗(yàn)和反應(yīng)式路由協(xié)議的混合式路由協(xié)議（如ZRP）是一種較好的折中：在局部范圍使用先驗(yàn)需查找路由。這樣既可以減少路由開銷，又可以改善時(shí)延特性。依據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組織方式分類。按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組織方式，AdHoc路由協(xié)議可分為平面（Flat）路由協(xié)議和分級(jí)（Hierarchical）路由協(xié)議。在平面結(jié)構(gòu)中，所有節(jié)點(diǎn)地位平等，通信流量平均分散在網(wǎng)絡(luò)中，路由協(xié)議的魯棒性好。但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模很大時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)的路由信息量很大，路由消息可能會(huì)充斥整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，且消息的傳遞也將花費(fèi)很長時(shí)間，網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性差，故它主要用在小型網(wǎng)絡(luò)中。對(duì)于規(guī)模較大的網(wǎng)絡(luò)，分級(jí)路由協(xié)議是較好的選擇。分級(jí)路由協(xié)議開銷小，可擴(kuò)展性較好，適合大規(guī)模AdHoc網(wǎng)絡(luò)；缺點(diǎn)是需要維護(hù)分級(jí)結(jié)構(gòu)，骨干網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性對(duì)全網(wǎng)性能影響較大，并且得到的路由往往不是最佳路由。網(wǎng)絡(luò)管理AdHoc網(wǎng)絡(luò)是一種動(dòng)態(tài)性很強(qiáng)的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，對(duì)它進(jìn)行有效的管理面臨很多困難。由于沒有基礎(chǔ)設(shè)施支持且沒有中心節(jié)點(diǎn)，傳統(tǒng)的集中式管理方法不再適用。網(wǎng)絡(luò)的組織、節(jié)點(diǎn)的定位和服務(wù)分發(fā)要比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜得多，尤其是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增大后，網(wǎng)絡(luò)管理將更加復(fù)雜。業(yè)界提出了自治網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（ANMS）的概念，這種系統(tǒng)的目標(biāo)是在不需要人為干預(yù)（或最小化人為干預(yù)）的情況下以獨(dú)立和自治的方式預(yù)測(cè)、診斷與解決網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的各種問題，并能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和用戶需求的動(dòng)態(tài)變化[27]。拓?fù)涔芾?。拓?fù)涔芾碇竿ㄟ^一種機(jī)制自適應(yīng)地將節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。但是AdHoc網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量大，并且位置更改較快，這個(gè)要求很難滿足。一種策略是利用節(jié)點(diǎn)的更好地應(yīng)對(duì)高速變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹Ｏ鄬?duì)移動(dòng)性還可用來劃分移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的功能，如高速移動(dòng)的主機(jī)只能獲得數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)，而不能使用虛電路。移動(dòng)管理。移動(dòng)管理也稱為移動(dòng)跟蹤或位置管理，主要用于在移動(dòng)環(huán)境下實(shí)時(shí)提供移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)標(biāo)識(shí)符（如節(jié)點(diǎn)的名稱）和它的動(dòng)態(tài)地址（節(jié)點(diǎn)的位置）務(wù)器來獲得對(duì)方的位置信息。在平面AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，可以借助路由協(xié)議來獲得所需節(jié)點(diǎn)的地址，故移動(dòng)管理比較簡單。但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)，應(yīng)使用分級(jí)結(jié)構(gòu)來進(jìn)行移動(dòng)管上級(jí)目錄，直到找到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。針對(duì)自組織網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)實(shí)需求和發(fā)展趨勢(shì)，ANMS采用了一種基于智能代理的自組織網(wǎng)絡(luò)自主管理系統(tǒng)架構(gòu)，其主要包括自主管理、拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)、位置定位、性能監(jiān)控和故障分析5個(gè)子系統(tǒng)。此外，其還以策略庫和目錄服務(wù)作為系統(tǒng)的支持環(huán)境[28]，如圖7-10所示。圖7-10 基于智能代理的自組織網(wǎng)絡(luò)自主管理系統(tǒng)架構(gòu)為了應(yīng)對(duì)自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的復(fù)雜性、異構(gòu)性和動(dòng)態(tài)性，必須提高網(wǎng)絡(luò)管理的智能，從而達(dá)到自主管理的目標(biāo)，減少管理成本和反應(yīng)時(shí)間，提高管理的精度和效率，適應(yīng)業(yè)務(wù)需求的變化。節(jié)點(diǎn)上的智能代理（IntelligentAgent，IA）可以看作標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)構(gòu)件，對(duì)外提供XML格式的策略訪問接口，對(duì)內(nèi)支持多種網(wǎng)絡(luò)管理和監(jiān)控工具，并允許對(duì)操作參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。智能代理策略支持遠(yuǎn)程策略更新和遠(yuǎn)程管理工具的自動(dòng)升級(jí)，還可以完成不同網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)的測(cè)量和采集，從而提高測(cè)量精度和擴(kuò)展性[37]。集中式控制結(jié)構(gòu)無法適應(yīng)多級(jí)管理的實(shí)戰(zhàn)需求，完全分布式控制結(jié)構(gòu)的工作效率低，因此考慮建立按管理機(jī)構(gòu)或簇結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)絡(luò)管理域，管理域內(nèi)有一臺(tái)域代理負(fù)責(zé)權(quán)限管理。但是，在執(zhí)行性能監(jiān)控任務(wù)時(shí)，可能涉及一個(gè)節(jié)點(diǎn)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)，并且這些節(jié)點(diǎn)有可能分屬不同的管理域。為了便于及時(shí)感知節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息并進(jìn)行交互處理，可以將執(zhí)行同一性能監(jiān)控任務(wù)的節(jié)點(diǎn)劃分為一個(gè)任務(wù)域。顯然，任務(wù)域是動(dòng)態(tài)的，而且一個(gè)節(jié)點(diǎn)可分屬多個(gè)任務(wù)域?？刹捎渺o態(tài)的管理域與動(dòng)態(tài)的任務(wù)域相結(jié)合的分域式管理模型，組織和協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)及智能代理上的管理任務(wù)。應(yīng)用案例在發(fā)生了地震、水災(zāi)、火災(zāi)或遭受其他災(zāi)難后，固定的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施都可能無法正常工作。此時(shí)，AdHoc網(wǎng)絡(luò)對(duì)于保障前后方指揮所對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員實(shí)現(xiàn)有效的指揮控制，支持現(xiàn)場(chǎng)人員的協(xié)同行動(dòng)具有重要意義。基于AdHoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案如圖7-11所示[38]。圖中，在災(zāi)難或事故現(xiàn)場(chǎng)，部署應(yīng)急通信指揮車和各類現(xiàn)場(chǎng)救助單元，救助單元可組織方式組成AdHoc網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)救助單元可以在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行通信，每個(gè)單元既可能是通場(chǎng)應(yīng)急指揮車，經(jīng)過GSM/CDMA蜂窩網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)等，與遠(yuǎn)程的應(yīng)急指揮中心進(jìn)行通信。圖7-11 基于AdHoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案NEC公司開發(fā)的基于PHS無線技術(shù)的AdHoc網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)就可以為協(xié)同工作的一組用戶提供一種無線通信環(huán)境：底層通信技術(shù)采用了PHS分組交換協(xié)議，允許用戶在不依賴其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的情況下按需自動(dòng)組網(wǎng)；用戶可以自由加入或離開系統(tǒng)；以TCP/IP作為主要通信協(xié)議，支持多播傳輸。例如，當(dāng)警察或消防隊(duì)員在事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)緊急執(zhí)行任務(wù)時(shí)，可以通過AdHoc網(wǎng)絡(luò)快速部署現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急通信指揮網(wǎng)絡(luò)，從而保障指揮的順利進(jìn)行。當(dāng)在邊遠(yuǎn)或野外地區(qū)實(shí)施緊急任務(wù)時(shí)，無法依賴固定或預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施進(jìn)行通信，也可利用AdHoc網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行臨時(shí)組網(wǎng)。在大型集會(huì)、慶典、展覽等場(chǎng)合，AdHoc網(wǎng)絡(luò)可以作為有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充，快速、簡單組網(wǎng)能力使得它可以用于臨時(shí)場(chǎng)合的通信，從而免去布線和部署網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的工作。在危險(xiǎn)事發(fā)區(qū)域，可以部署移動(dòng)機(jī)器人群體組建AdHoc網(wǎng)絡(luò)來相互通信和協(xié)調(diào)行動(dòng)。AdHoc網(wǎng)絡(luò)還可以用于在自動(dòng)高速公路系統(tǒng)（AHS）中協(xié)調(diào)和引導(dǎo)車輛、對(duì)工業(yè)加工處理過程進(jìn)行遠(yuǎn)程控制等。無人飛行器基本概念定義無人飛行器（UnmannedAerialVehicle，UAV）也稱為無人飛行系統(tǒng)（UnmannedAerialSystem，UAS）或無人駕駛飛機(jī)，簡稱無人機(jī)。無人機(jī)出現(xiàn)之初，人們?cè)诙x無人機(jī)時(shí)采用的是最直觀的物理概念，只考慮飛行員與飛機(jī)的物理位置關(guān)系，即將無人機(jī)定義為沒有飛行員駕駛的飛機(jī)，其最初的英文是PilotlessAircraft[19]。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(jī)的飛行，這就出現(xiàn)了遙控飛行器（RemotelyPilotedAerialVehicle，RPAV）和遙控飛行系統(tǒng)（RemotelyPilotedAircraftSystem，RPAS）的概念，在此期間也有人使用UninhabitedAerialVehicle稱呼無人機(jī)[18]。UnmannedAircraftSystem（UAS）這一術(shù)語最早出現(xiàn)在美國國防部頒布的《無人機(jī)路線圖2005—2030》報(bào)告中，并在之后被廣泛使用。美國國防部給UAS的定義：指不載有操作人員、利用空氣動(dòng)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(dòng)力飛行器[25]。因此，狹義上講，無人機(jī)是一種自帶動(dòng)力的、無線電遙控或自主飛行的、能執(zhí)行多種任務(wù)并能多次使用的無人駕駛飛行器。事實(shí)上，無人機(jī)要完成任務(wù)，除了需要飛機(jī)及其攜帶的任務(wù)設(shè)備，還需要有地面控制設(shè)備、數(shù)據(jù)通信設(shè)備、維護(hù)設(shè)備，以及指揮控制和必要的操作、維護(hù)人員等，較大型的無人機(jī)還需要專門的發(fā)射/回收裝置。因此，UAS是無人機(jī)與其配套的通信站、起飛（發(fā)射）回收裝置，以及無人機(jī)運(yùn)輸、儲(chǔ)存和檢測(cè)裝置等的統(tǒng)稱。內(nèi)涵依據(jù)UAS的定義，無人機(jī)的基本內(nèi)涵有3個(gè)要點(diǎn)[41]：①飛機(jī)上無駕駛?cè)藛T；②飛機(jī)能完成一定的使命任務(wù)；③飛機(jī)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)彈和炮彈不能看作無人飛行器，原因是導(dǎo)彈不能回收；目前遙控航模飛機(jī)是否屬于無人機(jī)仍有爭(zhēng)論，因?yàn)楹芏噙b控航模飛機(jī)只是通過人的操縱在視距內(nèi)進(jìn)行表演娛樂活動(dòng)，因此普遍認(rèn)為遙控航模飛機(jī)不屬于無人機(jī)范疇。從無人機(jī)的英文術(shù)語看，Unmanned意指無人機(jī)應(yīng)同時(shí)具備兩個(gè)含義：人不在飛機(jī)上并且人不操控飛機(jī)，飛機(jī)能夠正常飛行，也就是說，無人機(jī)從起飛準(zhǔn)備—滑行—起飛—行—返場(chǎng)著陸—退出關(guān)停的全過程都不需要人介入，這應(yīng)該更能體現(xiàn)“真正”無人機(jī)的內(nèi)涵。技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)階段，無人機(jī)的飛行可與人沒有直接關(guān)系，即人與無人機(jī)二者存在隔離的狀態(tài)；從廣義上講，由于無人機(jī)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(jī)權(quán)限問題：人是無人機(jī)的主宰，無人機(jī)的行為要聽從人的管控，但人由于自身能力、精力及精確控制飛機(jī)能力的限制，不可能時(shí)時(shí)刻刻管控?zé)o人機(jī)，因此無人機(jī)必須要有獨(dú)立自主工作的能力。分類無人機(jī)經(jīng)過一個(gè)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(jī)家族，如圖7-12所示。目前，對(duì)于無人機(jī)的分類尚無統(tǒng)一、明按照用途、操控方式和飛行模式分類[18]。無人機(jī)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(jī)飛行控制方式的不同，可將其大致分為遙控飛行無人機(jī)、遙控加局域自動(dòng)飛行無人機(jī)、全自動(dòng)飛行無人機(jī)、全自動(dòng)加局域自主飛行無人機(jī)、全自主飛行無人機(jī)。目前，國際上無人機(jī)的最高水平是全自動(dòng)加局域自主飛行無人機(jī)，全自主飛行無人機(jī)仍處于開發(fā)實(shí)驗(yàn)階段。圖7-12 多種無人機(jī)實(shí)例照片按照無人機(jī)所能擔(dān)負(fù)的任務(wù)或功用分類，可將其簡單分為軍用無人機(jī)和民用無人機(jī)兩大承擔(dān)不同的任務(wù)而成為另一種類無人機(jī)的問題。按照飛行平臺(tái)的大小和重量分類，可以將無人機(jī)分為大型、中型、小型和微型無人機(jī)。例如，起飛重量大于500kg的稱為大型無人機(jī)，起飛重量為200～500kg的稱為中型無人機(jī)，起飛重量小于200kg的稱為小型無人機(jī)。對(duì)于微型無人機(jī)，通常的定義是翼展在15cm以下的無人機(jī)。這種分類的最大局限在于分類標(biāo)準(zhǔn)難以適應(yīng)無人機(jī)的發(fā)展。隨著現(xiàn)代無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，一些大型無人機(jī)的起飛重量已達(dá)數(shù)噸，而一些中小型無人機(jī)的起飛重量也突破了500kg。力飛艇、臨近空間無人機(jī)、空天無人機(jī)等。其中，撲翼無人機(jī)指像昆蟲和鳥一樣通過拍其飛行機(jī)制體現(xiàn)了航空航天技術(shù)的融合創(chuàng)新。發(fā)展?fàn)顩r發(fā)展簡史人類一直夢(mèng)想著能夠像鳥一樣飛行，為此嘗試了多種方法，如使用風(fēng)箏、早期的火箭、飛車、熱氣球及滑翔機(jī)等。直到1903年萊特兄弟設(shè)計(jì)了第一臺(tái)現(xiàn)代意義的飛機(jī)，完成了人類第一次動(dòng)力載人飛行，人類在空中飛行的夢(mèng)想才得以實(shí)現(xiàn)。在夢(mèng)想在天空中飛翔的同時(shí)，人們也開始設(shè)想人不在飛機(jī)上就能控制飛機(jī)的飛行，這就產(chǎn)生了無人機(jī)的概念?，F(xiàn)代無人機(jī)的歷史可以追溯到1914到目標(biāo)區(qū)上空完成投彈任務(wù)，從而達(dá)到減少飛行員犧牲和實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無人攻擊的目的。隨后，A.M.洛教授負(fù)責(zé)實(shí)施這一大膽的設(shè)想，并將該計(jì)劃命名為“AT計(jì)劃”[19]。1917年3月，A.M.洛教授領(lǐng)導(dǎo)的研制小組終于研制出了英國第一架無人駕駛飛機(jī)。1927年，由A.M.洛教授參與研制的“喉”式單翼無人機(jī)在英國海軍“堡壘”號(hào)軍艦上成功地進(jìn)行了試飛。此后，無人機(jī)在軍事領(lǐng)域得到了長足發(fā)展。隨著無人機(jī)技術(shù)的逐步成熟，到了20世紀(jì)30年代，英國政府決定研制一種無人靶機(jī)，用于驗(yàn)校戰(zhàn)列艦上的火炮對(duì)飛機(jī)的攻擊效果。此后不久，英國又研制出一種全木結(jié)構(gòu)的雙翼無人靶機(jī)，命名為“德·哈維蘭燈蛾”。第二次世界大戰(zhàn)期間，英國一共生產(chǎn)了420架這種無人機(jī)，并重新命名為“蜂王”。在英國大力發(fā)展無人機(jī)的同時(shí)，美國在無人機(jī)的研發(fā)上也不甘落后。早在1915年，美國的斯佩里公司和德爾科公司就曾研制出了第一架有動(dòng)力無人機(jī)。此后不久，美國陸軍又研制出了一種名為“凱特林飛蟲”的無人機(jī)，并于1918年9月成功試飛。20世紀(jì)30年代，美國陸軍研制出了供打靶用的無線電遙控機(jī)。在第二次世界大戰(zhàn)中，美國陸軍航空隊(duì)曾大量使用無人靶機(jī)，并在太平洋戰(zhàn)場(chǎng)上取得了很好的戰(zhàn)斗效果。在此期間，美國海軍也曾研制出了3種噴氣式無人機(jī)，但因種種原因，都未能正式裝備部隊(duì)。發(fā)展到現(xiàn)在的無人機(jī)自動(dòng)（自主）飛行階段，無人機(jī)家族也逐漸步入鼎盛時(shí)期。時(shí)至今機(jī)戰(zhàn)術(shù)研究的深入，無人機(jī)在軍事方面的應(yīng)用日益廣泛，被譽(yù)為“空中多面手”[39]。1982年，以色列在戰(zhàn)爭(zhēng)中使用無人機(jī)進(jìn)行偵察、干擾、誘敵，無人機(jī)的作用再次被重視和開發(fā)。在1991年初的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，無人機(jī)已成為“必須有”的戰(zhàn)場(chǎng)能力，6套先鋒無人機(jī)系統(tǒng)爭(zhēng)中，美軍用“捕食者”作為載機(jī)，發(fā)射了“AGM-114C”“海爾法”空地導(dǎo)彈，首次在實(shí)戰(zhàn)中飛機(jī)的實(shí)戰(zhàn)使用進(jìn)行了驗(yàn)證，并真正開始了無人化戰(zhàn)爭(zhēng)。值得一提的是，美軍于2010年4月成功研發(fā)了一款被命名為“獵鷹HTV-2”的無人飛行器，其飛行速度達(dá)到了音速的20倍，刷新了一項(xiàng)新的亞軌道太空飛行記錄，并為產(chǎn)生新一代超級(jí)武器做了準(zhǔn)備。我國的無人機(jī)研制始于20世紀(jì)五六十年代，逐步形成了“長空一號(hào)”靶機(jī)、“無偵5”高空無人照相偵察機(jī)等系列，具備自行設(shè)計(jì)與小批生產(chǎn)能力[21]。我國在高度重視無人機(jī)作為靶機(jī)等軍事用途的同時(shí)，積極進(jìn)行民用無人機(jī)研制開發(fā)工作。我國無人機(jī)研制有著注重軍民協(xié)同發(fā)展的傳統(tǒng)，開發(fā)了WZ-2000隱身無人機(jī)、“蜂王”無人機(jī)、“翔鳥”無人駕駛直升機(jī)等一系列無人機(jī)，形成了今天種類繁多、用途多樣的無人機(jī)研發(fā)制造體系。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國目前至少有400家無人機(jī)企業(yè)。自2012年以來，美國無人機(jī)交易占全球份額的65%；中國位居第二，占5%；之后為澳洲、加拿大和英國，占4%；法國無人機(jī)交易的份額低于3%[16]。2018年11工業(yè)集團(tuán)有限公司發(fā)布的《無人機(jī)系統(tǒng)發(fā)展白皮書（2018）》顯示，全球無人機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)投資規(guī)模比20年前增長了30倍，全球年產(chǎn)值約150億美元[40]。美國研究機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)，到2024年，全球無人機(jī)市場(chǎng)規(guī)模可達(dá)600億美元，在未來10年中，市場(chǎng)將增長3～4倍，產(chǎn)值累計(jì)超過4000億美元，預(yù)計(jì)將帶動(dòng)萬億美元級(jí)的產(chǎn)業(yè)配套拓展和創(chuàng)新服務(wù)市場(chǎng)[19]。發(fā)展趨勢(shì)近年來，隨著各種技術(shù)的進(jìn)步和投資力度的加大，無人機(jī)的發(fā)展勢(shì)頭迅猛，呈現(xiàn)多樣化的發(fā)展趨勢(shì)?？傮w來說，無論是軍用還是民用，無人機(jī)繼續(xù)向高自主性、低人工干預(yù)和高智能化等方向發(fā)展，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[21]。自主控制方面無人機(jī)控制系統(tǒng)的自主控制水平可劃分為若干等級(jí)。例如，2005年美國國防部將軍用無人機(jī)自主控制系統(tǒng)分為10個(gè)層次。一般來說，人們把這些控制層次分成3個(gè)等級(jí)：遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)控制和自主控制。目前，大多數(shù)無人機(jī)已達(dá)到自動(dòng)控制水平。例如，高度、速撞功能。人機(jī)關(guān)系方面控監(jiān)察無人機(jī)狀態(tài)是否正常的作用。隨著硬件和軟件可靠性的增強(qiáng)，在未來無人機(jī)系統(tǒng)的安全性和可靠性。信息感知方面論來研究多平臺(tái)多源和單平臺(tái)機(jī)載的傳感器圖像融合，從而實(shí)現(xiàn)全源情報(bào)信息的有效融合，保證全息圖像畫面的直觀性。智能化方面無人機(jī)的智能化主要體現(xiàn)在飛行的自主路徑規(guī)劃能力、執(zhí)行任務(wù)的自主決策能力和與其他飛行伙伴的自主協(xié)作能力方面。其中，自主路徑規(guī)劃能力是重中之重。目前，無人機(jī)的飛行路徑或跟蹤軌跡大多是由人預(yù)設(shè)的，效率和靈活性較低。未來的無人機(jī)應(yīng)該能夠根據(jù)各自的任務(wù)和相應(yīng)的約束條件自主規(guī)劃飛行路徑。當(dāng)約束條件發(fā)生變化時(shí)，無人機(jī)將自主調(diào)整飛行路徑。另外，智能無人機(jī)應(yīng)具有較強(qiáng)的任務(wù)理解和分析能力，當(dāng)面對(duì)復(fù)雜的任務(wù)時(shí)，可以不依賴操作人員自主完成任務(wù)。先進(jìn)的智能無人機(jī)將集成群體智能技術(shù)。無人機(jī)集群由許多相同的和不同的無人機(jī)組成，這些無人機(jī)應(yīng)該能夠進(jìn)行自主合作，在保持個(gè)體獨(dú)立性的基礎(chǔ)上充分發(fā)揮集體智慧，從而最大限度地提高團(tuán)隊(duì)表現(xiàn)。因此，未來智能化無人機(jī)的一個(gè)特點(diǎn)就是能夠通過自主合作有效完成復(fù)雜任務(wù)。系統(tǒng)工作機(jī)理系統(tǒng)構(gòu)成回收裝置四大部分，如圖7-13所示[41]。其中，飛行器平臺(tái)又包括飛機(jī)機(jī)體、飛控系統(tǒng)、信站，不但可以獲得無人機(jī)所偵察到的信息，而且可以向無人機(jī)發(fā)布指令，控制它的飛的狀態(tài)測(cè)試和維修等任務(wù)。發(fā)射回收裝置保證無人機(jī)順利升空，以安全的高度和速度飛行，并在執(zhí)行完任務(wù)后安全回落到地面。無人機(jī)的起飛（發(fā)射）起飛（發(fā)射）著陸、降落傘回收和攔截網(wǎng)回收等。圖7-13 無人機(jī)系統(tǒng)組成部件飛機(jī)控制系統(tǒng)是無人機(jī)的“大腦”，是無人機(jī)完成起飛、空中飛行、執(zhí)行任務(wù)和返場(chǎng)回收等部分，實(shí)現(xiàn)的功能主要有無人機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定和控制、無人機(jī)任務(wù)設(shè)備管理和應(yīng)急控制。其中，機(jī)身大量裝配的各種傳感器（器）端無人機(jī)傳感器大量應(yīng)用了超光譜成像、合成孔徑雷達(dá)、超高頻穿透等新技術(shù)。導(dǎo)航系統(tǒng)是無人機(jī)的“眼睛”。導(dǎo)航系統(tǒng)向無人機(jī)提供參考坐標(biāo)系的位置、速度、飛行姿為了提高障礙回避、物資或武器投放、自動(dòng)進(jìn)場(chǎng)著陸等能力，今后無人機(jī)導(dǎo)航技術(shù)將采用“慣性+多傳感器+GPS+光電導(dǎo)航系統(tǒng)”。動(dòng)力系統(tǒng)負(fù)責(zé)無人機(jī)整個(gè)飛行過程的能源供應(yīng)。目前，民用工業(yè)無人機(jī)以油動(dòng)為主，消費(fèi)級(jí)無人機(jī)以電動(dòng)為主。不同用途的無人機(jī)對(duì)動(dòng)力裝置的要求也不同。低速、中低空小型無人機(jī)傾向于活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，低速短距、垂直起降無人機(jī)傾向于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，小型民用無人機(jī)則主要采用電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)或噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。此外，太陽能、氫能等新能源電動(dòng)機(jī)也有望為小型無人機(jī)提供更持久的動(dòng)力。通信系統(tǒng)（數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)）是無人機(jī)和控制站之間的橋梁，保證對(duì)遙控指令的準(zhǔn)確發(fā)送、傳輸和接收。上行通信鏈路主要負(fù)責(zé)地面站到無人機(jī)的遙控指令的發(fā)送和接收。下行通信鏈路主要負(fù)責(zé)無人機(jī)到地面站的遙測(cè)數(shù)據(jù)、紅外或電視圖像的發(fā)送和接收。普通無人機(jī)大多采用定制視距數(shù)據(jù)鏈，而中高空、長航時(shí)無人機(jī)則采用超視距衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)鏈。工作模式無人機(jī)的“主人”，無人機(jī)必須聽從人的管控，無人機(jī)自我獨(dú)立工作權(quán)限應(yīng)該由人按需進(jìn)行設(shè)置。因此，標(biāo)準(zhǔn)的無人機(jī)應(yīng)有3種工作模式[42]：自主（自動(dòng)）模式、人工干預(yù)模式和人工操縱模式。這3種模式的使用是由人（操作員）綜合考慮實(shí)際環(huán)境的情況設(shè)置與選擇的。其中，自主模式是無人機(jī)系統(tǒng)的默認(rèn)模式，按照人制定的規(guī)則、理念、思路進(jìn)行工控制無人機(jī)的應(yīng)急條件下，由人直接操縱飛機(jī)。上述3種工作模式也明確了“人機(jī)權(quán)限”問題，人作為無人機(jī)的“主人”，通過制定規(guī)則和策的設(shè)想不一致的結(jié)果時(shí)，人可進(jìn)行適度的修正；飛行出現(xiàn)應(yīng)急情況時(shí)，人可直接操控飛命和任務(wù)，基于此，在構(gòu)造無人機(jī)系統(tǒng)工作邏輯時(shí)，應(yīng)采用“因勢(shì)利導(dǎo)”的原則設(shè)置不同飛行階段的工作模式，通常的做法是，先確認(rèn)飛行階段，再選擇合適的工作模式。智能等級(jí)必須承認(rèn)，人是最為合理的自主智能綜合體。無人機(jī)的設(shè)計(jì)理念應(yīng)遵循人體結(jié)構(gòu)和人的思維/行為邏輯。鑒于人的智能處理是分層次的，有輕重緩急之分。因此，無人機(jī)的自主智能處理也應(yīng)分層次和等級(jí)。相關(guān)研究將無人機(jī)的智能分為以下3種等級(jí)[43]。等級(jí)1：規(guī)定無人機(jī)可以高可靠飛行，包括無人機(jī)的飛行高度、速度和姿態(tài)是安全的，無人機(jī)有防撞能力，無人機(jī)能自主規(guī)避飛行中遇到的物體，無人機(jī)具有特情安全著陸能力。等級(jí)2：規(guī)定無人機(jī)可以高品質(zhì)地工作，包括無人機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)態(tài)勢(shì)感知與認(rèn)知，能夠?qū)崿F(xiàn)任務(wù)和軌跡的規(guī)劃與重規(guī)劃，具有一定的故障自修復(fù)能力。等級(jí)3：實(shí)現(xiàn)機(jī)群協(xié)同任務(wù)，包括無人機(jī)編隊(duì)飛行，實(shí)現(xiàn)有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)，可以進(jìn)行群體感知與態(tài)勢(shì)共享?？傊?，為實(shí)現(xiàn)具備上述3種等級(jí)的自主智能無人機(jī)，無人機(jī)必須具有獨(dú)立自主的信息獲取、信息處理與決策及行為執(zhí)行能力。獨(dú)立自主的信息獲取能力是無人機(jī)自主操控的基礎(chǔ)，獨(dú)立自主的信息處理與決策能力是無人機(jī)自主操控的核心，獨(dú)立自主的行為執(zhí)行能力意味著無人機(jī)應(yīng)依據(jù)自身的能力和自我決策去執(zhí)行任務(wù)，而不只是機(jī)械地執(zhí)行外來命令。此外，信息獲取與處理的獨(dú)立自主能力體現(xiàn)在3個(gè)方面：信息源應(yīng)是自然屬性，信息源不能人為設(shè)置特征屬性，否則難以保證信息的多樣性、可信性和安全性；信息源的信息感知要自主完成，不能利用其他外部信息和輔助段；信息特征的提取要自主完成，不能利用其他外部手段提供的特征信息。性能指標(biāo)無人機(jī)的性能指標(biāo)是衡量無人機(jī)品質(zhì)的關(guān)鍵要素，主要包括[44]以下幾種。等有關(guān)；另外，美軍已經(jīng)在研究無人機(jī)空中加油技術(shù)，以便增加無人機(jī)的航程。對(duì)續(xù)航時(shí)間的要求是相同的；飛機(jī)耗盡其可用燃料所能持續(xù)飛行的時(shí)間稱為最大續(xù)航時(shí)間。升限對(duì)于軍用航空器來說，是保證作戰(zhàn)任務(wù)完成的重要指標(biāo)。飛行速度：飛行速度是衡量無人機(jī)飛行能力，甚至是突防、攻擊性能的重要數(shù)據(jù)，70%～80%。也可用爬升到某高度耗用掉多少時(shí)間來表示，此即爬升率。關(guān)鍵技術(shù)分析自主控制技術(shù)一般來說，自主控制應(yīng)以知識(shí)和信息驅(qū)動(dòng)為基礎(chǔ)，盡量避免人的直接控制，更多的是強(qiáng)調(diào)自我控制和自我決策，自主控制系統(tǒng)應(yīng)具有較高的智能化程度，能夠應(yīng)對(duì)新的控制任務(wù)與意外情況。無人機(jī)系統(tǒng)的自主控制主要指系統(tǒng)在無人干預(yù)的情況下充分利用信息處理與在線環(huán)境感知，對(duì)優(yōu)化的控制策略加以自主生成，有效地完成戰(zhàn)術(shù)與戰(zhàn)略任務(wù)[45]。無人機(jī)自主控制要做到智能任務(wù)，也就是無人機(jī)的任務(wù)執(zhí)行要由無人機(jī)自主判斷，這將極大地改變現(xiàn)有的以地面站為中心的體系結(jié)構(gòu)?；谀Ｊ阶R(shí)別（語音、文字、圖像）的學(xué)習(xí)控制技術(shù)，將在無人機(jī)未來的發(fā)展過程中起到重要的作用，也是無人機(jī)理解任務(wù)、觀察環(huán)境、自主決策的技術(shù)基礎(chǔ)。無人機(jī)任務(wù)的智能還依賴于大數(shù)據(jù)環(huán)境下云計(jì)算和深度學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，即通過對(duì)多源多粒度數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)，挖掘影響決策要素間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)關(guān)系，這是無人機(jī)自主決策的基礎(chǔ)。無人機(jī)系統(tǒng)的典型特征是“平臺(tái)無人，系統(tǒng)有人”，隨著系統(tǒng)自主控制能力和智能化水平的提高，通過人機(jī)系統(tǒng)智能融合和集群自適應(yīng)學(xué)習(xí)，可以實(shí)現(xiàn)有人/無人系統(tǒng)的高效協(xié)同作戰(zhàn)。其中涉及的關(guān)鍵技術(shù)有人機(jī)交互技術(shù)、人機(jī)功能動(dòng)態(tài)分配技術(shù)、人機(jī)綜合顯控技術(shù)、無人機(jī)自主學(xué)習(xí)能力/推理能力提升技術(shù)、平臺(tái)狀態(tài)/戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢(shì)/任務(wù)協(xié)同綜合顯示技術(shù)等。人機(jī)系統(tǒng)也在逐步完善，現(xiàn)已經(jīng)開始向“人在回路上”的監(jiān)督控制方向轉(zhuǎn)變，以便達(dá)到完全自主控制的目的。集群協(xié)作技術(shù)智能無人機(jī)集群系統(tǒng)需要在復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)中同時(shí)完成情報(bào)、監(jiān)視、偵察（ISR）及多目標(biāo)攻擊等任務(wù)，合理高效的協(xié)同任務(wù)規(guī)劃方案是任務(wù)執(zhí)行的基礎(chǔ)[46]。合理的任務(wù)分配可以充分發(fā)揮單機(jī)作戰(zhàn)功效，體現(xiàn)集群資源的智能化作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)，極大地提高任務(wù)執(zhí)行的成功率和效率，降低風(fēng)險(xiǎn)和成本。無人機(jī)集群任務(wù)分配一般按照保證最大益損比和任務(wù)均衡的原則進(jìn)行，綜合考慮任務(wù)空間聚集性、單機(jī)運(yùn)動(dòng)有序性及目標(biāo)環(huán)境適應(yīng)性，避免單機(jī)資源利用沖突，以集群編隊(duì)整體最優(yōu)效率完成最大任務(wù)數(shù)量，體現(xiàn)集群協(xié)同作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)。協(xié)同任務(wù)分配的主要算法類型有市場(chǎng)機(jī)制拍賣算法、匈牙利算法、蟻群算法、粒子群算法、遺傳算法、一致性集束算法等?，F(xiàn)階段多數(shù)算法并不成熟，不適用于大規(guī)模的復(fù)雜任務(wù)自主規(guī)劃。智能無人機(jī)集群系統(tǒng)需要在險(xiǎn)惡復(fù)雜的環(huán)境下執(zhí)行艱難的任務(wù)，這要求系統(tǒng)能夠全面感知和了解復(fù)雜環(huán)境，可以在集群中進(jìn)行信息共享與交互，輔助集群中其他無人機(jī)進(jìn)行任務(wù)決策，這是智能無人機(jī)集群系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高等級(jí)自主控制的基礎(chǔ)。環(huán)境感知與認(rèn)識(shí)的關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)學(xué)建模、信息融合與共享等，目前國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜艺ㄟ^基于生物視覺認(rèn)知機(jī)制的目標(biāo)識(shí)別與環(huán)境建模、復(fù)雜環(huán)境感知與認(rèn)識(shí)算法、非結(jié)構(gòu)化感知方法等手段實(shí)現(xiàn)能夠適應(yīng)智能無人機(jī)集群系統(tǒng)的環(huán)境感知與認(rèn)識(shí)技術(shù)。機(jī)器視覺技術(shù)賦予無人機(jī)“智能”的關(guān)鍵技術(shù)之一是讓無人機(jī)通過機(jī)器視覺感知周邊的環(huán)境，并將結(jié)果轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)，通過操作系統(tǒng)傳給其他應(yīng)用程序。目前，無人機(jī)領(lǐng)域主流的機(jī)器視覺技術(shù)有雙目機(jī)器視覺、紅外激光視覺和超聲波輔助探測(cè)等[47]。雙目機(jī)器視覺雙目機(jī)器視覺基于三角定位原理，與人眼對(duì)三維世界的還原原理類似，其通過比較兩個(gè)同向攝像頭拍攝的畫面中同一物體的視角差來確定距離，從而在二維圖像中還原出三維世界的立體模型。雙目機(jī)器視覺僅需要兩個(gè)攝像頭，但對(duì)計(jì)算能力的要求較高。紅外激光視覺為了減少計(jì)算機(jī)視覺中識(shí)別物體的計(jì)算量及提高精度，以Intel（英特爾）為代表的廠商使用了紅外激光視覺技術(shù)。其測(cè)距原理與雙目機(jī)器視覺類似，但識(shí)別對(duì)象從物體替換成了打在物體表面的紅外激光點(diǎn)，從而消除了物體識(shí)別的計(jì)算需求。另外，紅外激光視覺可在暗夜和照明條件不好的室內(nèi)使用，并有更高的測(cè)距精度。紅外激光視覺的必要代價(jià)是將攝像頭替換為紅外攝像頭，并增加了一個(gè)紅外激光掃描器的硬件成本。超聲波輔助探測(cè)超聲波測(cè)障是一種較為成熟的技術(shù)，已廣泛用在軍/民用多種應(yīng)用場(chǎng)合。超聲波的優(yōu)勢(shì)在于能夠有效識(shí)別玻璃、電線等雙目機(jī)器視覺/紅外激光視覺無法測(cè)距的物體；缺點(diǎn)在于精度較差，只能用于探測(cè)障礙是否存在，無法提取精確空間信息用于路徑規(guī)劃。懸停定位技術(shù)消費(fèi)級(jí)無人機(jī)的核心應(yīng)用是基于無人機(jī)的航拍功能的，而航拍功能對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)要求最高的技術(shù)指標(biāo)就是飛行的穩(wěn)定性，這很大程度上依賴于懸停定位技術(shù)。目前，懸停定位技術(shù)采用的技術(shù)手段主要有以下幾種[48]。GPS/IMU定位GPS/IMU定位是較為傳統(tǒng)和成熟的定位方法。GPS可以測(cè)得無人機(jī)當(dāng)前的水平位置和高現(xiàn)定點(diǎn)懸停。然而，GPS信號(hào)易受干擾，影響實(shí)際控制效果。因此，工程實(shí)踐中引入了飛行器的慣性測(cè)量模塊（InertialMeasurementUnitIMU）信息與GPS信號(hào)進(jìn)行濾波，得到更為精確的位置和高度信息。超聲波輔助定高超聲波測(cè)距傳感器是一種較為成熟的測(cè)距傳感器，能夠根據(jù)超聲波發(fā)出與返回的時(shí)間差，測(cè)得超聲波傳感器與障礙物的距離。當(dāng)無人機(jī)布置有下視超聲波傳感器時(shí)，可測(cè)得較為精確的距地面距離，從而輔助實(shí)現(xiàn)定高控制，但超聲波輔助定高對(duì)于水平位置的飄移控制不起作用。光流定位言，光流是由于場(chǎng)景中前景目標(biāo)本身的移動(dòng)、相機(jī)的運(yùn)動(dòng)，或者兩者的共同運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生面和高度上的定位。跟蹤拍攝技術(shù)對(duì)于航拍無人機(jī)來說，一個(gè)新的趨勢(shì)是采用跟蹤拍攝模式，即對(duì)無人機(jī)設(shè)置一個(gè)興趣點(diǎn)，無人機(jī)自動(dòng)對(duì)興趣點(diǎn)進(jìn)行跟蹤拍攝，這是無人機(jī)智能化的發(fā)展趨勢(shì)。目前常用的跟蹤拍攝技術(shù)主要分為以下兩種[19]。GPS跟蹤GPS跟蹤較為簡單，即被跟蹤者需手持遙控器，并獲得自己當(dāng)前位置的衛(wèi)星定位信息，之后將此信息發(fā)送給無人機(jī)，無人機(jī)以接收到的目標(biāo)位置作為目標(biāo)進(jìn)行導(dǎo)航。GPS跟蹤是一種比較初級(jí)的跟蹤方式，市場(chǎng)上大部分無人機(jī)均采用這種方式。圖像跟蹤況下，對(duì)目標(biāo)的準(zhǔn)確跟蹤需要用到深度學(xué)習(xí)技術(shù)，這是當(dāng)前人工智能的一個(gè)熱點(diǎn)研究方向。自動(dòng)避障技術(shù)無人機(jī)的飛行安全是關(guān)系到其大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的核心問題，如何感知障礙物并自主規(guī)避障礙物是無人機(jī)最前沿的研究課題之一。目前，無人機(jī)主要采用以下幾種自動(dòng)避障技術(shù)[49]。超聲波測(cè)距避障超聲波測(cè)距避障技術(shù)類似于傳統(tǒng)的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)，方法成熟，實(shí)現(xiàn)容易。該技術(shù)利用超聲波探測(cè)獲知障礙物的距離信息，然后采用相應(yīng)策略避開障礙物，其特點(diǎn)是探測(cè)距離近，探測(cè)范圍小。雙目機(jī)器視覺避障這種技術(shù)基于雙目機(jī)器視覺的圖像景深重構(gòu)方法，對(duì)視場(chǎng)內(nèi)的景物進(jìn)行景深重構(gòu)，通過景深信息來判斷視場(chǎng)內(nèi)的障礙物情況，探測(cè)范圍廣、距離遠(yuǎn)，相應(yīng)地，安全性更高，但技術(shù)難度大，而且會(huì)受到光照強(qiáng)弱變化的影響。激光雷達(dá)避障這種技術(shù)依靠在無人駕駛汽車上應(yīng)用較多的激光雷達(dá)技術(shù)對(duì)無人機(jī)周邊的環(huán)境進(jìn)行掃描，并進(jìn)行地圖建模。Realsense單目+結(jié)構(gòu)光探測(cè)避障Realsense是Intel公司發(fā)布的視覺感知系統(tǒng)，有效測(cè)距可達(dá)10m。該技術(shù)采用了主動(dòng)立體成像原理，模仿了人眼的視差原理，通過配備深度傳感器和全1080P彩色鏡頭，能夠精確識(shí)別手勢(shì)動(dòng)作、面部特征、前景和背景，進(jìn)而讓設(shè)備理解人的動(dòng)作和情感。云臺(tái)技術(shù)云臺(tái)對(duì)于抑制機(jī)身的主動(dòng)傾側(cè)、被動(dòng)干擾等影響航拍效果的擾動(dòng)起到了重大作用[50]。機(jī)載云臺(tái)通常都是三軸云臺(tái)。三軸云臺(tái)包括俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)3個(gè)軸，也稱為3個(gè)自由度，攝像頭通過對(duì)電機(jī)的控制，可以實(shí)現(xiàn)俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)無人機(jī)進(jìn)行位移和姿態(tài)補(bǔ)充，進(jìn)而起到隔離、抵消無人機(jī)運(yùn)動(dòng)影響的作用。三軸云臺(tái)技術(shù)需要實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)敏感和抵消控制功能。運(yùn)動(dòng)敏感要求安裝在最內(nèi)層的攝像頭部分能夠感知到攝像頭的姿態(tài)偏差。抵消控制指當(dāng)感覺到攝像頭要偏離設(shè)定的姿態(tài)時(shí)，對(duì)電機(jī)施加反向的運(yùn)動(dòng)以抵消運(yùn)動(dòng)變化。無人駕駛汽車無人駕駛汽車的定義無人駕駛汽車（PilotlessAutomobile或DriverlessCars）是智能汽車的一種，也稱為輪式移動(dòng)機(jī)器人，簡稱無人車，主要依靠車內(nèi)的基于人工智能和計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的智能駕駛儀來達(dá)到無人駕駛的目的[51]。百度百科的定義：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(dòng)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(shí)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地應(yīng)用到人類社會(huì)的生產(chǎn)、生活的各方面，曾經(jīng)只能在科普小說中看到的無人駕駛汽車已經(jīng)不再是虛幻的，人們?cè)诂F(xiàn)實(shí)中就可以看見無人駕駛汽車。關(guān)于自動(dòng)駕駛和無人駕駛，嚴(yán)格來說含義并不相同，雖然這兩種技術(shù)都能實(shí)現(xiàn)汽車自主駕駛功能，但兩者的研發(fā)目的不同。自動(dòng)駕駛汽車保留了人工駕駛的功能，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和人工的實(shí)時(shí)切換；而無人駕駛汽車具有更加強(qiáng)大的智能及主動(dòng)性，可以完全不依靠人的意志，在緊急情況下可以進(jìn)行自動(dòng)處理?？傮w來說，無人駕駛相對(duì)于自動(dòng)駕駛需要更加強(qiáng)大的綜合處理及判斷能力。當(dāng)然，最高層次的自動(dòng)駕駛和無人駕駛基本上沒有什么區(qū)別。無人駕駛汽車屬于無人駕駛車輛（UnmannedVehicle）的一種主要形式，其他類型的無人駕駛車輛還包括無人駕駛列車、無人駕駛地鐵和無人駕駛摩托車等[52]。無人駕駛汽車是時(shí)，無人汽車也被廣泛認(rèn)為是一種驗(yàn)證視覺、聽覺、認(rèn)知及人工智能技術(shù)的通用實(shí)驗(yàn)平防和國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。分類分級(jí)分類無人駕駛汽車種類繁多，其中有些根本離不開人，而有些則像科幻小說和電影中描述的那樣，如圖7-14所示。無人駕駛汽車的分類方法很多，按照駕駛的自動(dòng)化程度，無人駕駛汽車系統(tǒng)大致可以分成四大類[53]，分別是駕駛輔助系統(tǒng)、部分自動(dòng)化系統(tǒng)、高度自動(dòng)化系統(tǒng)及完全自動(dòng)化系統(tǒng)。其中，駕駛輔助系統(tǒng)可為司機(jī)提供必要的協(xié)助，包括提供一些重要的或有益的駕駛相關(guān)信息，以及在形勢(shì)開始變得比較危及時(shí)能夠發(fā)出相對(duì)明確的警告；部分自動(dòng)化系統(tǒng)是在駕駛者收到警告但沒有及時(shí)采取相應(yīng)行動(dòng)時(shí)能夠自動(dòng)進(jìn)行干預(yù)的系統(tǒng)；高度自動(dòng)化系統(tǒng)能夠在任意時(shí)間段內(nèi)替代駕駛員操縱車輛的職責(zé)，但是這種系統(tǒng)仍然需要駕駛員對(duì)駕駛活動(dòng)進(jìn)行必要的監(jiān)控。駕駛輔助系統(tǒng)和部分自動(dòng)化系統(tǒng)采用以人工為主、自動(dòng)駕駛為輔的駕駛模式，高度自動(dòng)化系統(tǒng)采用以人工為輔、自動(dòng)操控為主的駕駛模式。完全自動(dòng)化系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)完全無人駕駛，而且還能允許車內(nèi)所有乘員從事其他活動(dòng)且不需要進(jìn)行監(jiān)控。圖7-14 無人駕駛汽車樣例迄今為止，投入大規(guī)模使用的無人駕駛汽車主要采用以人工為主、自動(dòng)駕駛為輔的駕駛模式，如汽車防抱死系統(tǒng)、牽引和穩(wěn)定控制系統(tǒng)、定速巡航系統(tǒng)和自動(dòng)泊車系統(tǒng)等[54]。真正的無人駕駛汽車仍處于實(shí)驗(yàn)或路測(cè)階段，離大規(guī)模量產(chǎn)使用還有時(shí)日。輪胎什么時(shí)候即將鎖死，并及時(shí)做出反應(yīng)，而且反應(yīng)時(shí)機(jī)比駕駛員把握得更加準(zhǔn)確。因此，防抱死系統(tǒng)是引領(lǐng)汽車工業(yè)朝無人駕駛方向發(fā)展的早期技術(shù)之一。定速巡航系統(tǒng)又稱為定速巡航行駛裝置或定速自動(dòng)駕駛系統(tǒng)等，已成為中高級(jí)轎車的標(biāo)準(zhǔn)裝備。定速巡航系統(tǒng)用于控制汽車的定速行駛，汽車一旦被設(shè)定為巡航狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的供油量便由計(jì)算機(jī)控制，計(jì)算機(jī)會(huì)根據(jù)道路狀況和汽車的行駛阻力不斷地調(diào)整供油量，使汽車始終保持以所設(shè)定的車速行駛，而無須駕駛員人工操縱油門。巡航控制系統(tǒng)主要是通過巡航控制組件讀取車速傳感器發(fā)來的脈沖信號(hào)并與設(shè)定的速度進(jìn)行比較，通過精準(zhǔn)的電子計(jì)算發(fā)出指令，保證車輛在設(shè)定速度下的最精準(zhǔn)供油。一般情況下，當(dāng)駕駛者踩下剎車踏板或離合器時(shí)，定速巡航會(huì)被自動(dòng)解除。原則上，定速巡航要在高速公路或全封閉路上使用，因?yàn)閺?fù)雜的路況不利于定速巡航駕駛汽車的交通安全，在突發(fā)意外的情況下，容易使駕駛員措手不及。另外，反復(fù)剎車也無法使汽車保持穩(wěn)定的定速巡航狀態(tài)，從而失去定速的意義。行干預(yù)。