李靜1,2, 唐振民2, 譚業(yè)發(fā)1, 石朝俠2

　　(1.解放軍理工大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007； 2.南京理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

　　摘要：自主性是無人系統(tǒng)最為重要的性能指標(biāo)之一,在對美國陸軍無人地面車輛發(fā)展進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，以無人地面車輛自主性能力作為總體評價(jià)目標(biāo)，從體現(xiàn)其自主性應(yīng)具備的能力要素出發(fā)，分為感知能力、規(guī)劃能力、運(yùn)動控制能力、行為能力和學(xué)習(xí)能力5個(gè)評價(jià)方面，每個(gè)評價(jià)方面又包含多個(gè)能力因素，以此建立無人地面車輛自主性評價(jià)指標(biāo)體系。

　　關(guān)鍵詞：無人地面車輛; 自主性評價(jià); 指標(biāo)體系

0引言

　　地面無人系統(tǒng)在軍事上稱作無人地面車輛(Unmanned Ground Vehicle，UGV)，其能夠在各種地面環(huán)境中無須人工干預(yù)，連續(xù)、自主地完成任務(wù)［1］。海灣戰(zhàn)爭以來，以無人機(jī)和無人車為代表的無人系統(tǒng)在戰(zhàn)爭中的作用日益凸顯，對國防、社會、經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)產(chǎn)生了重大影響。美國于2000~2013年間連續(xù)發(fā)布了7個(gè)版本的無人系統(tǒng)路線圖，不斷調(diào)整美軍無人系統(tǒng)的近、遠(yuǎn)期發(fā)展目標(biāo)，將其作為未來作戰(zhàn)系統(tǒng)的一部分，用于后勤運(yùn)輸和戰(zhàn)備補(bǔ)給，或在遂行偵查、監(jiān)視、目標(biāo)獲取及單兵作戰(zhàn)等軍事任務(wù)中應(yīng)用［24］。

1自主性概念

　　自主性是無人系統(tǒng)最重要的性能指標(biāo)之一,一般采用無人系統(tǒng)自主性級別工作組（ALFUS）給出的定義，即自主性是無人系統(tǒng)在預(yù)定任務(wù)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)過程中感知、理解、分析、交流、規(guī)劃及決策制定與執(zhí)行的能力［56］。當(dāng)前，無人系統(tǒng)自主性研究已成為各國關(guān)注的熱點(diǎn)問題，如李一波等人提出的四指標(biāo)模型［7］,王越超等人采用的蛛網(wǎng)模型［8］,楊哲等采用的模糊評價(jià)方法［9］，都是對ALFUS工作組三因素評價(jià)模型的擴(kuò)展。在現(xiàn)場比賽中一般以是否完成單項(xiàng)任務(wù)、完成任務(wù)的總數(shù)和完成時(shí)間作為評價(jià)和打分依據(jù)，如“2014中國智能車未來挑戰(zhàn)”大賽和“跨越險(xiǎn)阻-2014”地面無人平臺挑戰(zhàn)賽，這種方法直觀、易操作，但很難全面地評價(jià)無人地面車輛的自主性能力。

2無人地面車輛自主性能力指標(biāo)分解

　　無人地面車輛利用安裝在不同部位的傳感器來感知周圍環(huán)境，獲得道路、自身位姿、障礙物和背景環(huán)境等信息，經(jīng)數(shù)據(jù)融合建立環(huán)境模型，進(jìn)行實(shí)時(shí)任務(wù)和路徑規(guī)劃，最終通過轉(zhuǎn)向和速度控制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全、可靠地運(yùn)行［10］。鑒于智能技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)等的發(fā)展現(xiàn)狀，戰(zhàn)時(shí)環(huán)境下的自主性能力仍處于研究初期，有些能力只能以是否具備作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。因此，本文按層次分析法理論要求，以無人地面車輛自主性能力作為評價(jià)目標(biāo)，從體現(xiàn)其自主性應(yīng)具備的能力要素出發(fā)，分為感知能力、規(guī)劃能力、運(yùn)動控制能力、行為能力和學(xué)習(xí)能力5個(gè)評價(jià)方面，如圖1所示，更加符合技術(shù)發(fā)展的要求。

　　2.1感知能力

　　在感知過程中，無人地面車輛對多傳感器信息進(jìn)行融合，信息包括道路邊界、障礙物、交通信號和標(biāo)識、路側(cè)環(huán)境、天候環(huán)境等，并能在越野環(huán)境中檢測、定位、測量和分類地表物體和環(huán)境，判斷可通過性，為規(guī)劃提供依據(jù)，如圖2所示。

    2.1.1環(huán)境感知

　　自然界的道路復(fù)雜多變，有標(biāo)準(zhǔn)的等級公路、規(guī)范的城市道路、路況較差的鄉(xiāng)村道路、依地形建設(shè)的道路以及無路的野外環(huán)境，這些環(huán)境與地形、氣候、天氣狀況、電磁輻射等共同構(gòu)成了無人地面車圖2感知能力指標(biāo)的分解輛的工作環(huán)境。對工作環(huán)境的充分感知，做出避障策略，控制車輛行為，體現(xiàn)了無人地面車輛的自主性。

　　(1)道路跟蹤

　　道路跟蹤是以一定速度行駛時(shí)檢測和跟蹤道路邊緣等特征的能力，同時(shí)具備能以及時(shí)采取制動行為或避開障礙的速度行駛時(shí)檢測障礙的能力［2］。無人地面車輛通過在結(jié)構(gòu)化道路環(huán)境中跟蹤車道線，在非結(jié)構(gòu)化道路環(huán)境中跟蹤分割的道路邊界，在越野環(huán)境中跟蹤規(guī)劃好的、受一定約束（戰(zhàn)術(shù)要求、地形限制等）的軌跡路徑，完成自主行駛。

　　(2)檢測正負(fù)障礙

　　以一定速度（40 km/h以上）檢測障礙體現(xiàn)了系統(tǒng)的能力，速度越快檢測難度越大［10］。負(fù)障礙檢測仍然是無人地面車輛的挑戰(zhàn)，包括凹坑深度、水深等。

　　(3)地形分類

　　地形分類能力主要面對越野環(huán)境。越野環(huán)境不同于無人地面車輛的常規(guī)工作環(huán)境，是一種自然地理環(huán)境，涉及植被、坡地、凹坑、巖石、沙地、沼澤地、河流等天然地形［1112］。無人地面車輛在未知、復(fù)雜的越野環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)，就必須能夠?qū)崟r(shí)檢測各種地表障礙物的幾何特征和空間三維信息并加以分類，判斷可通行區(qū)域，以規(guī)劃出一條安全通路［2］。

　　(4)植被分類

　　無人地面車輛在有路環(huán)境中要能分割道路與植被邊界，區(qū)分車道內(nèi)小片植被；在越野環(huán)境中要能估計(jì)植被的高度、密度、株距等，判斷車輛是否可穿過區(qū)域。對于一些細(xì)莖的植被，在車輛性能允許的條件下可以推桿，不需進(jìn)行避讓或路徑重規(guī)劃。

　　(5)動態(tài)避碰感知

　　動態(tài)避碰感知能力是指無人地面車輛行駛在道路上，能夠檢測車道內(nèi)的行人和車輛，估計(jì)自身和障礙的位置和速度，識別交通信號和標(biāo)識，融入車流，保持安全行駛。其中自動目標(biāo)識別能力ATR［2］（區(qū)分?jǐn)秤?、非作?zhàn)人員和車輛的能力，并對危險(xiǎn)進(jìn)行評估）體現(xiàn)無人地面車輛高自主性。

　　2.1.2全天候感知

　　對無人地面車輛自主性評價(jià)是基于某種任務(wù)環(huán)境進(jìn)行的，因此對于天候環(huán)境中的氣候、季節(jié)和一些其他氣象條件作為先驗(yàn)信息不列入評價(jià)指標(biāo)體系。主要考慮由圖2中列出的天氣條件帶來的地面覆蓋（積水、雪、落葉等）、泥濘、能見度、光照突變等影響。

　　2.1.3態(tài)勢感知［13］

　　態(tài)勢的若干要素從不同角度和層面體現(xiàn)戰(zhàn)場態(tài)勢的內(nèi)容。

　　(1)作戰(zhàn)環(huán)境要素感知

　　作戰(zhàn)環(huán)境要素感知包括之前環(huán)境感知的所有內(nèi)容，還包括在戰(zhàn)時(shí)環(huán)境中對特殊障礙（武裝軍人、裝備車輛、炸毀的建筑物和橋梁、掩體等）、作戰(zhàn)標(biāo)識（行進(jìn)路線標(biāo)識、軍種符號等）等的識別。

　　(2)力量對比感知

　　力量對比感知包括對企圖、兵力、行動等信息的感知。企圖是最難正確推測的要素；兵力可以通過部隊(duì)編制編成序列、部隊(duì)部署態(tài)勢、電磁頻譜管理態(tài)勢等進(jìn)行估計(jì)；行動可以通過生成火力打擊態(tài)勢、偵察態(tài)勢、裝備保障態(tài)勢、后勤支援態(tài)勢、兵種協(xié)同態(tài)勢等推測。

　　(3)社情感知

　　社情感知是對作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)及周邊的政治制度、宗教信仰、經(jīng)濟(jì)狀況、人口素質(zhì)、生產(chǎn)力水平、能源儲備情況等的感知，屬戰(zhàn)略層的態(tài)勢感知。

　　作戰(zhàn)目標(biāo)不同，所關(guān)心的戰(zhàn)場態(tài)勢不同，且戰(zhàn)場態(tài)勢的諸項(xiàng)構(gòu)成要素及其相互關(guān)系隨作戰(zhàn)進(jìn)程而變化。

　　2.1.4抗電磁干擾能力

　　按電磁干擾的種類［14］將無人地面車輛的抗電磁干擾能力分為抗自然電磁輻射能力、抗人為電磁輻射能力和抗敵方電磁輻射能力。

　　2.2規(guī)劃能力

　　規(guī)劃能力是無人地面車輛實(shí)現(xiàn)自主行為，進(jìn)行任務(wù)和路徑的有效規(guī)劃，如圖3所示。

　　2.2.1任務(wù)規(guī)劃

　　任務(wù)規(guī)劃能力的自主性體現(xiàn)在無人地面車輛根據(jù)突發(fā)狀況進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃與重規(guī)劃的能力。自主任務(wù)規(guī)劃在戰(zhàn)時(shí)需要具備軍事知識庫（戰(zhàn)術(shù)文件、作戰(zhàn)規(guī)程等）、態(tài)勢估計(jì)、任務(wù)理解和作戰(zhàn)知識等［2］，根據(jù)需要完成獨(dú)立行動、編隊(duì)任務(wù)規(guī)劃和任務(wù)重規(guī)劃。

　　2.2.2路徑規(guī)劃

　　路徑規(guī)劃是生成一條從指定起始位置到目標(biāo)位置并避開環(huán)境中障礙的運(yùn)動軌跡的過程［2］。路徑規(guī)劃算法輸入的是標(biāo)明正、負(fù)障礙，給定起點(diǎn)和終點(diǎn)的環(huán)境地圖，輸出的是一組規(guī)定了運(yùn)行軌跡的途經(jīng)點(diǎn)［10］。

　　(1)避障路徑規(guī)劃

　　在無人地面車輛進(jìn)入工作狀態(tài)前，結(jié)合車輛動力學(xué)、已知地形、天候條件等先驗(yàn)知識，識別和理解任務(wù)環(huán)境，進(jìn)行全局路徑規(guī)劃，避開有障礙、危險(xiǎn)性大、不可通行區(qū)域。

　　(2)局部路徑重規(guī)劃

　　無人地面車輛的工作環(huán)境是部分已知或完全未知，系統(tǒng)必須根據(jù)傳感器獲得的實(shí)時(shí)信息或戰(zhàn)術(shù)要求對路徑進(jìn)行調(diào)整或重新規(guī)劃。

　　(3)多系統(tǒng)多目標(biāo)路徑規(guī)劃

　　單系統(tǒng)路徑規(guī)劃已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，對于多車多任務(wù)的路徑規(guī)劃還處在不斷發(fā)展中，體現(xiàn)規(guī)劃能力的高自主性。

　　2.3運(yùn)動控制能力

　　無人地面車輛運(yùn)動控制分成縱向控制和橫向控制［10］，如圖4所示。

　　2.3.1橫向控制

　　在保證車輛行駛平順性的前提下，無人地面車輛以最短的響應(yīng)時(shí)間通過轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)精確跟蹤期望路徑。橫向控制過程中需要考慮車輛縱向速度、道路邊界和曲率、路側(cè)環(huán)境、車輛周圍障礙和背景等。

　　2.3.2縱向控制

　　在保證動力性的前提下，通過車輛跟蹤速度的控制和與前方障礙的間距控制，實(shí)現(xiàn)對車輛速度的精確控制?？v向控制過程中需要考慮道路線形、縱坡、能見度改變、前方障礙的速度和位置等。

　　2.4行為能力

　　行為是傳感和動作在系統(tǒng)中結(jié)合的可見行動模式，它可以是天生的、經(jīng)學(xué)習(xí)得到的，或者嚴(yán)格說是一種激勵(lì)的響應(yīng)［2］。無人地面車輛行為包括戰(zhàn)術(shù)行為和協(xié)作行為，如圖5所示，行為能力技術(shù)的發(fā)展仍處于初級階段。

　　2.4.1戰(zhàn)術(shù)行為［2］

　　無人地面車輛的戰(zhàn)術(shù)行為不僅包含一般意義上的行為，還包括基于戰(zhàn)術(shù)上使用的軍事協(xié)議的行為。

　　(1)戰(zhàn)術(shù)調(diào)遣

　　戰(zhàn)術(shù)調(diào)遣包括單獨(dú)或編隊(duì)的行為，利用地形自我隱蔽和逃避、非殺傷性自我保護(hù)、占據(jù)有利位置等。

　　(2)對于裝備了武器的無人地面車輛，必須具備確定目標(biāo)、作戰(zhàn)和毀傷評估行為。

　　(3)通信合作能力

　　無人地面車輛必須知道何時(shí)及怎樣進(jìn)行通信，何時(shí)報(bào)告敵情、請求指揮和火力支援等。

　　(4)復(fù)雜軍事作戰(zhàn)行為

　　復(fù)雜軍事作戰(zhàn)行為包括戰(zhàn)術(shù)規(guī)避、生存技術(shù)、避免自然危險(xiǎn)的損害、能用當(dāng)?shù)卣Z言與居民交流等。

　　2.4.2協(xié)作行為

　　人機(jī)協(xié)作或系統(tǒng)協(xié)同需要通過車載無線通信設(shè)備接收相互間的實(shí)時(shí)狀況，完成協(xié)作任務(wù)的可能性取決于帶寬和通信距離。

　　(1)人機(jī)協(xié)作

　　無人地面車輛在遇到無法判斷的環(huán)境時(shí)，需要與操作人員協(xié)作來完成任務(wù)，或是根據(jù)環(huán)境的復(fù)雜程度進(jìn)行自主性等級的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)可變自主性。

　　(2)多系統(tǒng)協(xié)作［15］

　　多個(gè)地面無人系統(tǒng)能夠完成編隊(duì)、監(jiān)視及搜索救援等任務(wù)。

　　(3)異域系統(tǒng)協(xié)同

　　地面無人系統(tǒng)可以與空中無人系統(tǒng)、水下無人系統(tǒng)經(jīng)過數(shù)據(jù)共享完成協(xié)同，構(gòu)成陸、海、空三位一體的立體戰(zhàn)斗格局［16］。

　　2.5學(xué)習(xí)能力

　　學(xué)習(xí)能力是指通過經(jīng)驗(yàn)提高性能的某類程序［17］。學(xué)習(xí)可以用于無人地面車輛的任何軟件技術(shù)中，如圖6所示。

　　2.5.1基本學(xué)習(xí)

　　目前的機(jī)器學(xué)習(xí)主要是基于特征分類器的學(xué)習(xí)（將區(qū)域分為道路和非路、地形分類、植被分類、交通標(biāo)志識別等）和行為學(xué)習(xí)（人類駕駛行為的學(xué)習(xí)等）。

　　2.5.2增強(qiáng)學(xué)習(xí)

　　增強(qiáng)學(xué)習(xí)又稱強(qiáng)化學(xué)習(xí)，是解決一個(gè)能夠感知環(huán)境的自治Agent，通過學(xué)習(xí)選擇能到達(dá)目標(biāo)的最優(yōu)動作［17］。增強(qiáng)學(xué)習(xí)是一種無監(jiān)督的、基于試錯(cuò)的學(xué)習(xí)方法，通過與環(huán)境交互學(xué)習(xí)合適的策略［18］，如多系統(tǒng)避障行為學(xué)習(xí)、通過增強(qiáng)學(xué)習(xí)形成合理的行為序列完成高級協(xié)作行為。

3結(jié)論

　　目前的無人地面車輛自主性主要體現(xiàn)在道路跟蹤、檢測障礙、交通信號識別、全天候行駛等技術(shù)層面，而且主要是針對單車系統(tǒng)的。隨著智能技術(shù)的發(fā)展和車輛機(jī)動性的不斷提升，在全地形行駛、多系統(tǒng)協(xié)同、編隊(duì)控制和集團(tuán)作戰(zhàn)等方面的需求，必將出現(xiàn)高自主性無人地面車輛，如何更準(zhǔn)確地評價(jià)其自主性是亟待解決的問題。本文建立的自主性評價(jià)指標(biāo)體系將對未來無人地面車輛自主性評價(jià)工作的深化有一定指導(dǎo)意義。

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