1、第七章自主無人系統7.1自主無人系統的概念和特征7.2系統組成和模型7.3研究和發展現狀7.4自組織網絡高級人工智能人才培養叢書of3117.5典型應用案例習題7.1 自主無人系統的概念和特征of312 自主無人系統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進行自我操作或管理而不需要人工干預的人造系統。 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，自主無人系統就是能夠持續監視自身狀態，并根據內部或外部事件自動調整其狀態和執行操作以滿足預定目標的系統。1. 基本概念 自主無人系統與人相比，人能夠更好地把握目標任務，進行態勢評估，制定行動方案和

2、應對特殊情況。但是，人不善于快速持續地處理大量數據，也不善于長時間保持注意力，而自主無人系統能夠彌補人的不足。自主無人系統的發展應用，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7.1 自主無人系統的概念和特征of3131自主表達的是行為方式，強調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，關注運用的方法及策略是否符合自然規律或人的行為規則。2自主與智能之間的關系應該是：自主在前，智能在后，二者應該相輔相成；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的高低，智能是自主與知識及其知

3、識運用的結合體。3因此，自主無人系統的設計應遵循上述自主與智能的關系準則。在構造自主無人系統時，應賦予系統相當程度的自主和智能能力，以滿足系統自身的特點和人的需求。 自主性和智能性是自主無人系統最重要的兩個特征。利用人工智能的各種技術，如圖像識別、人機交互、智能決策、推理和學習，是實現和不斷改善自主無人系統這兩個特征的最有效方法。2關鍵特征第七章 自主無人系統第七章自主無人系統7.1自主無人系統的概念和特征7.2系統組成和模型7.3研究和發展現狀7.4自組織網絡高級人工智能人才培養叢書of3147.5典型應用案例習題7.2 系統組成與模型第七章 自主無人系統of3151. 系統組成 自主無人系

4、統是一種智能化的自動控制系統，參照傳統自動化系統3，自主無人系統主要由控制器，被控對象，執行裝置（執行器）和測量裝置（檢測器）四部分構成。7.2 系統組成與模型第七章 自主無人系統of3162系統模型1）系統體系結構 AUS的體系架構主要包含兩個主要部分：一是基于數據的實時感知和處理來獲悉環境信息，二是基于環境態勢的認知進行自主調配和控制，強調人、機和環境的的互相依存關系和協調共生。依據這種思想，其體系架構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、態勢認識層和自主配置層。7.2 系統組成與模型第七章 自主無人系統of3172系統模型2）系統評價指標 無人自主系統的性能表現依賴于

5、自主認知、自主控制和群體智能三大評價指標。具體而言，自主認知一級指標可以包括數據采集、碰撞避免、對象分類、對象識別、推理和語義理解等二級指標；自主控制一級指標可能包括載人、遠程控制、故障診斷、提前設計、仿生和自主操作幾個二級指標；群體智能一級指標可包括結構控制、任務規劃、合作、任務重規劃、合作探究和職責等二級指標。7.2 系統組成與模型第七章 自主無人系統of3182系統模型3）系統設計要素 1信任度2自動化3自主化4人機協同5其他考慮第七章自主無人系統7.1自主無人系統的概念和特征7.2系統組成和模型7.3研究和發展現狀7.4自組織網絡高級人工智能人才培養叢書of3197.5典型應用案例習題

6、7.3 研究發展現狀第七章 自主無人系統of3110 進入21 世紀以來， 隨著微電子、生命科學、自動化技術和人工智能技術的共同進步和相互滲透，共同推動著自主無人系統行業的快速發展。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，特別是在深度學習出現之后，許多令人驚嘆的無人自主系統及應用接踵而至。無人車，無人機、無人船以及家用和醫療機器人領域都得到了顯著的發展，并廣泛應用于環保、測繪、環衛、安防軍事和民用等領域16。無人系統在枯燥任務、惡劣環境和危險任務領域具有獨特優勢，在軍事、科技、經濟、社會生活等各方面日益發揮重要的作用。軍事領域中,海洋、空間智能無人平臺可以進行

7、空中、地面和水下的作戰和偵察，無人機已大量用于空中戰術偵查、對地打擊、防空壓制、近距支援等任務；民用領域中, 智能無人平臺可以完成資源勘測、環境監測等繁重重復或搶險救災、資源調查等具有一定危險的任務。1. 研究應用現狀7.3 研究發展現狀第七章 自主無人系統of31112. 發展趨勢 望未來，自主無人系統技術水平將不斷提升，使命任務將不斷拓展，裝備數量將保持增長。同時，自主無人系統將向多樣化、智能化、集群化、體系化等方向發展，以更好地適應各類復雜環境。具體而言，未來自主無人系統的發展將呈現以下幾個明顯趨：1系統性能水平不斷提高2應用任務領域持續拓展3智能自主水平穩步提升4無人系統協同能力明顯發

8、展5集群作戰優勢加快形成7.3 研究發展現狀第七章 自主無人系統of31123. 未來挑戰 無人系統已經滲透到工業生產、社會治理、戰場空間等領域，極大改變了作戰樣式與生產生活方式，在軍事、產業、監管、倫理等方面對國家安全和社會治理形成新的挑戰，具體表現在以下幾個方面：1對戰爭形態產生新變革2對反恐維穩構成新威脅3對航空安全形成新影響4對法律監管帶來新課題5對社會倫理造成新沖擊第七章自主無人系統7.1自主無人系統的概念和特征7.2系統組成和模型7.3研究和發展現狀7.4自組織網絡高級人工智能人才培養叢書of31137.5典型應用案例習題7.4 自組織網絡第七章 自主無人系統of3114 自組織網

9、絡（Self-Organizing Network, SON）目前尚沒有明確的定義，它是伴隨移動通信網絡技術發展而引出的一套新型網絡理念和規范。SON最早由網絡運營商提出，其主要目的是實現移動無線網絡的一些自主功能，包括自配置、自優化、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，在移動通信領域，自組織網絡通常指以Ad Hoc網絡為代表的無線自組網或移動自組網33。Ad Hoc網絡是一種多跳的臨時性自治系統，它的原型是美國早在1968年建立的Aloha網絡和之后于1973提出的PR(Packet Radio)網絡。IEEE在開發802.11標準時，提出將PR網絡改名為Ad

10、 Hoc網絡，也即今天我們常說的移動自組織網絡。 Ad Hoc網絡是一種移動通信和計算機網絡相結合的網絡，是移動計算機網絡的一種，用戶終端可以在網內隨意移動而保持通信。作為一種多跳的臨時性自治系統，在軍事、民用、商用等許多重要領域都具有獨特優勢，隨著移動技術的不斷發展和人們日益增長的自由通信需求，Ad Hoc網絡受到更多的關注，得到快速的發展和普及。7.4 自組織網絡第七章 自主無人系統of3115 Ad Hoc網絡中，節點間的路由通常由多個網段（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點往往通過多個中間節點的轉發來實現通信。所以，它又被稱為多跳無線網、自組織網絡、無固定

11、設施的網絡或對等網絡。Ad Hoc網絡同時具備移動通信和計算機網絡的特點，可以看作是一種特殊的移動計算機通信網絡。第七章自主無人系統7.1自主無人系統的概念和特征7.2系統組成和模型7.3研究和發展現狀7.4自組織網絡高級人工智能人才培養叢書of31167.5典型應用案例習題7.4 典型應用實例第七章 自主無人系統of31171. 無人飛行器 無人飛行器(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)也稱無人飛行系統(Unmanned Aerial System，UAS)或無人駕駛飛機，簡稱無人機。無人機出現之初，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的發展，航空工程師使用了無線電在地面遙控無人機的飛行，這就出現了遙控飛行器(Remotely Piloted Aerial Vehicle, RPAV)和遙控飛行系統(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)這一術語最早出現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 典型應用實例第七章 自主無人系統of31181. 無人飛行器 依據UAS的定義，無人機的基本內涵有3個要點41：1）飛機上無駕駛人員；2）飛機能完成一定的使命任務；3）飛機可以重復使用。按照這樣定義，彈道或半彈道飛行器、巡航導彈和炮彈不能看作是無人飛行器，原因是導彈不能回收；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進行表演娛樂活動，因此普遍遙控航模飛機認為不屬于無人機范疇

14、， 從無人機的英文術語看，unmanned意指無人機應同時具備兩個含義：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備-滑行-起飛-空中飛行-返場著陸-退出關停的全過程都可不需要人介入，這應該更能體現“真正”無人機的內涵。 技術發展到現階段，無人機的飛行可與人沒有直接關系，即人與無人機二者存在隔離的狀態；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無人機，因此無人機必須要有獨立自主工作的能力。7.4 典型應用實例第七

15、章 自主無人系統of31191. 無人飛行器 依人機經過一個多世紀的發展，其演變與發展是全方位的，已形成了種類繁多、形態各異、豐富多彩的現代無人機家族。無人機發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實驗階段。7.4 典型應用實例第七章 自主無人系統of31201. 無人飛行器 無人機是一種典型的自主式無人駕駛系統，主要包括飛行器平臺、控制站、通信站與發射回收

16、裝置四大部分。飛行器平臺又包括飛機機體、飛控系統、導航系統、動力系統、任務設備、電氣系統與通信系統等。控制站主要包括顯示系統、操縱系統及保障維修系統；通信站可以建在地面，也可以設在車、船或其他平臺上；發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，并在執行完任務后從天空安全回落到地面。7.4 典型應用實例第七章 自主無人系統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，主要依靠車內的基于人工智能和計算機通信系統實現的智能駕駛儀來實現無人駕駛的目的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感知道路環境，并根據感知所獲得的道路、車輛位置和障礙物信息，自動規劃行車路線并控制車輛的轉向和速度，從而使車輛能夠安全、可靠地在道路上行駛，實現預定目標的智能汽車。隨著現代高新技術的迅速發展，數字化、信息化和智能化越來越多的應用到人類社會的生產、生活的各個方面，曾經只能在科普小說中看到的智能無人駕駛汽車已經不再是虛幻的，人們在不久的將來將能在現實中看見智能無人駕駛汽車。7.4 典型應用實例第七章 自主無人系統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，部分自動化系統，高度自動化系統以及完全自動化系統。7.4 典型應用實例第七章 自主無人系統of31232. 無人駕駛汽車 無人駕駛汽車區別于有人駕駛汽車的本質在于它能夠通過感知環境信息做出科學決策，進而自主實施反饋控制，其核心組成結構如圖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7.1自主無人系統的概念和特征7.2系統組成和模型7.3研究和發展現狀7.4自組織網絡高級人工智能人才培養叢書of31247.5典型應用案例習題習題：1 什么是自主無人系統？它與自動控制系統有哪些區別？2 自主無人系統的主要特征有哪些？你是如何理解這些特征的？3