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 野戰(zhàn)工程學院,，江蘇 南京 210007,； 2.南京理工大學 計算機科學與工程學院，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之一,在對美國陸軍無人地面車輛發(fā)展進行分析的基礎上,，以無人地面車輛自主性能力作為總體評價目標,，從體現(xiàn)其自主性應具備的能力要素出發(fā)，分為感知能力,、規(guī)劃能力,、運動控制能力、行為能力和學習能力5個評價方面,，每個評價方面又包含多個能力因素,，以此建立無人地面車輛自主性評價指標體系。
關(guān)鍵詞：無人地面車輛; 自主性評價; 指標體系
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，連續(xù),、自主地完成任務［1］,。海灣戰(zhàn)爭以來，以無人機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)濟和科學技術(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、遠期發(fā)展目標,，將其作為未來作戰(zhàn)系統(tǒng)的一部分，用于后勤運輸和戰(zhàn)備補給,，或在遂行偵查,、監(jiān)視、目標獲取及單兵作戰(zhàn)等軍事任務中應用［24］,。
1自主性概念
自主性是無人系統(tǒng)最重要的性能指標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)在預定任務目標實現(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［56］。當前,，無人系統(tǒng)自主性研究已成為各國關(guān)注的熱點問題,，如李一波等人提出的四指標模型［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方法［9］，都是對ALFUS工作組三因素評價模型的擴展,。在現(xiàn)場比賽中一般以是否完成單項任務,、完成任務的總數(shù)和完成時間作為評價和打分依據(jù)，如“2014中國智能車未來挑戰(zhàn)”大賽和“跨越險阻-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，進行實時任務和路徑規(guī)劃,，最終通過轉(zhuǎn)向和速度控制實現(xiàn)系統(tǒng)安全,、可靠地運行［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標準,。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目標,，從體現(xiàn)其自主性應具備的能力要素出發(fā)，分為感知能力,、規(guī)劃能力,、運動控制能力、行為能力和學習能力5個評價方面,，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行融合,，信息包括道路邊界,、障礙物、交通信號和標識,、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
自然界的道路復雜多變,，有標準的等級公路,、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檢測和跟蹤道路邊緣等特征的能力,，同時具備能以及時采取制動行為或避開障礙的速度行駛時檢測障礙的能力［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［1112］。無人地面車輛在未知,、復雜的越野環(huán)境中執(zhí)行任務,，就必須能夠?qū)崟r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,。對于一些細莖的植被，在車輛性能允許的條件下可以推桿,，不需進行避讓或路徑重規(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,，估計自身和障礙的位置和速度,，識別交通信號和標識，融入車流,，保持安全行駛,。其中自動目標識別能力ATR［2］（區(qū)分敵友、非作戰(zhàn)人員和車輛的能力,，并對危險進行評估）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是基于某種任務環(huán)境進行的，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信息不列入評價指標體系,。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)標識（行進路線標識,、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,；兵力可以通過部隊編制編成序列,、部隊部署態(tài)勢、電磁頻譜管理態(tài)勢等進行估計,；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)勢的諸項構(gòu)成要素及其相互關(guān)系隨作戰(zhàn)進程而變化,。
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現(xiàn)自主行為,，進行任務和路徑的有效規(guī)劃,，如圖3所示。
2.2.1任務規(guī)劃
任務規(guī)劃能力的自主性體現(xiàn)在無人地面車輛根據(jù)突發(fā)狀況進行任務規(guī)劃與重規(guī)劃的能力,。自主任務規(guī)劃在戰(zhàn)時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、任務理解和作戰(zhàn)知識等［2］,，根據(jù)需要完成獨立行動,、編隊任務規(guī)劃和任務重規(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位置并避開環(huán)境中障礙的運動軌跡的過程［2］,。路徑規(guī)劃算法輸入的是標明正,、負障礙，給定起點和終點的環(huán)境地圖,，輸出的是一組規(guī)定了運行軌跡的途經(jīng)點［10］。
(1)避障路徑規(guī)劃
在無人地面車輛進入工作狀態(tài)前,，結(jié)合車輛動力學,、已知地形、天候條件等先驗知識,，識別和理解任務環(huán)境,，進行全局路徑規(guī)劃，避開有障礙,、危險性大,、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)傳感器獲得的實時信息或戰(zhàn)術(shù)要求對路徑進行調(diào)整或重新規(guī)劃,。
(3)多系統(tǒng)多目標路徑規(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運動控制能力
無人地面車輛運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時間通過轉(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)學習得到的,，或者嚴格說是一種激勵的響應［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)遣包括單獨或編隊的行為，利用地形自我隱蔽和逃避,、非殺傷性自我保護,、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,、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及怎樣進行通信,，何時報告敵情,、請求指揮和火力支援等。
(4)復雜軍事作戰(zhàn)行為
復雜軍事作戰(zhàn)行為包括戰(zhàn)術(shù)規(guī)避,、生存技術(shù),、避免自然危險的損害、能用當?shù)卣Z言與居民交流等,。
2.4.2協(xié)作行為
人機協(xié)作或系統(tǒng)協(xié)同需要通過車載無線通信設備接收相互間的實時狀況,，完成協(xié)作任務的可能性取決于帶寬和通信距離。
(1)人機協(xié)作
無人地面車輛在遇到無法判斷的環(huán)境時,，需要與操作人員協(xié)作來完成任務,，或是根據(jù)環(huán)境的復雜程度進行自主性等級的調(diào)整，實現(xiàn)可變自主性,。
(2)多系統(tǒng)協(xié)作［15］
多個地面無人系統(tǒng)能夠完成編隊,、監(jiān)視及搜索救援等任務。
(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學習能力
學習能力是指通過經(jīng)驗提高性能的某類程序［17］。學習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基本學習
目前的機器學習主要是基于特征分類器的學習（將區(qū)域分為道路和非路、地形分類、植被分類,、交通標志識別等）和行為學習（人類駕駛行為的學習等）,。
2.5.2增強學習
增強學習又稱強化學習，是解決一個能夠感知環(huán)境的自治Agent,，通過學習選擇能到達目標的最優(yōu)動作［17］,。增強學習是一種無監(jiān)督的、基于試錯的學習方法,，通過與環(huán)境交互學習合適的策略［18］,，如多系統(tǒng)避障行為學習、通過增強學習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)展和車輛機動性的不斷提升,，在全地形行駛、多系統(tǒng)協(xié)同,、編隊控制和集團作戰(zhàn)等方面的需求,，必將出現(xiàn)高自主性無人地面車輛，如何更準確地評價其自主性是亟待解決的問題,。本文建立的自主性評價指標體系將對未來無人地面車輛自主性評價工作的深化有一定指導意義,。
參考文獻
［1］ National Research Council of the National Academies. Technology development for army unmanned ground vehicles［M］. Washington DC, USA: National Academy Press,2003.
?。?］ National Research Council of the National Academies.軍用無人地面車輛技術(shù)的發(fā)展［M］.付夢印,，王美玲，譯.北京：國防工業(yè)出版社,，2009.
?。?］ Office of the Secretary of Defense. Unmanned systems roadmap 20072032［Z］．Department of Defense，Washington DC,，20071210.
?。?］ Office of the Secretary of Defense. Unmanned systems integrated roadmap FY20092034［Z］．Department of Defense，Washington DC,，20090312．［5］ Huang Huimin, MESSINA E, ALBUS J. Toward a generic model for autonomy levels for unmanned systems(ALFUS)［C］.Proceedings of the 2003 Performance Metrics for Intelligent Systems (PerMIS) Workshop, Gaithersburg, Maryland,，2003.
［6］ 高勁松,，鄒慶元,，陳哨東.無人機自主性概念研究［J］.電光與控制，2007，14(5)：5861.
?。?］ 李一波,，王新星，姚宗信,等.無人平臺自主能力分級的四指標模型［J］.電光與控制,2012,10(10)：3437.
?。?］ 王越超,，劉金國.無人系統(tǒng)的自主性評價方法［J］.中國科學: 科學通報，2012,，15(15)：12901299.
?。?］ 楊哲，張汝波.無人系統(tǒng)自主等級模糊評價方法［C］.先進制造技術(shù)與工業(yè)信息學博士生學術(shù)論壇論文集, 2009：20432047.
?。?0］ 陳慧巖,，熊光明，龔建偉.無人駕駛汽車概論［M］.北京：北京理工大學出版社,，2014.
?。?1］ 鄭有飛.環(huán)境科學概論［M］.北京：氣象出版社，2011.
?。?2］ 貝佐夫,，普薩列夫，科瓦連科,，等.軍事地形學［M］.北京：解放軍出版社, 1990.
?。?3］ 董志明，郭齊勝,，黃璽瑛.戰(zhàn)場環(huán)境建模與仿真［M］.北京：國防工業(yè)出版社,，2013.
［14］ 李修和.戰(zhàn)場電磁環(huán)境建模與仿真［M］.北京：國防工業(yè)出版社,，2014.
?。?5］ 蔡自興，陳白帆,，劉麗鈺,等.多移動機器人協(xié)同原理與技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社,，2014.
［16］ 林聰榕,，張玉強.智能化無人作戰(zhàn)系統(tǒng)［M］.長沙：國防科技大學出版社,，2008.
［17］ MITCHELL T M. Machine Learning(International Editions)［M］.McGrawHill,，2003.
?。?8］ 周彤，洪炳镕,，周洪玉.基于模塊化Q學習的足球機器人合作［J］.微型機與應用,，2005,，24(10)：6568.