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(wú)人系統(tǒng)最為重要的性能指標(biāo)之一,在對(duì)美國(guó)陸軍無(wú)人地面車輛發(fā)展進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,，以無(wú)人地面車輛自主性能力作為總體評(píng)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(dòng)控制能力、行為能力和學(xué)習(xí)能力5個(gè)評(píng)價(jià)方面,，每個(gè)評(píng)價(jià)方面又包含多個(gè)能力因素,，以此建立無(wú)人地面車輛自主性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

　　關(guān)鍵詞：無(wú)人地面車輛; 自主性評(píng)價(jià); 指標(biāo)體系

0引言

　　地面無(wú)人系統(tǒng)在軍事上稱作無(wú)人地面車輛(Unmanned Ground Vehicle,，UGV),，其能夠在各種地面環(huán)境中無(wú)須人工干預(yù)，連續(xù),、自主地完成任務(wù)［1］,。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)以來(lái)，以無(wú)人機(jī)和無(wú)人車為代表的無(wú)人系統(tǒng)在戰(zhàn)爭(zhēng)中的作用日益凸顯,，對(duì)國(guó)防,、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)產(chǎn)生了重大影響,。美國(guó)于2000~2013年間連續(xù)發(fā)布了7個(gè)版本的無(wú)人系統(tǒng)路線圖,，不斷調(diào)整美軍無(wú)人系統(tǒng)的近、遠(yuǎn)期發(fā)展目標(biāo),，將其作為未來(lái)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(wú)人系統(tǒng)最重要的性能指標(biāo)之一,一般采用無(wú)人系統(tǒng)自主性級(jí)別工作組（ALFUS）給出的定義,，即自主性是無(wú)人系統(tǒng)在預(yù)定任務(wù)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)過(guò)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(wú)人系統(tǒng)自主性研究已成為各國(guó)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)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(píng)價(jià)方法［9］,，都是對(duì)ALFUS工作組三因素評(píng)價(jià)模型的擴(kuò)展,。在現(xiàn)場(chǎng)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(píng)價(jià)和打分依據(jù),，如“2014中國(guó)智能車未來(lái)挑戰(zhàn)”大賽和“跨越險(xiǎn)阻-2014”地面無(wú)人平臺(tái)挑戰(zhàn)賽,，這種方法直觀,、易操作，但很難全面地評(píng)價(jià)無(wú)人地面車輛的自主性能力,。

2無(wú)人地面車輛自主性能力指標(biāo)分解

　　無(wú)人地面車輛利用安裝在不同部位的傳感器來(lái)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(guò)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),。因此，本文按層次分析法理論要求,，以無(wú)人地面車輛自主性能力作為評(píng)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(dòng)控制能力、行為能力和學(xué)習(xí)能力5個(gè)評(píng)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(guò)程中,，無(wú)人地面車輛對(duì)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(hào)和標(biāo)識(shí),、路側(cè)環(huán)境、天候環(huán)境等,，并能在越野環(huán)境中檢測(cè),、定位、測(cè)量和分類地表物體和環(huán)境,，判斷可通過(guò)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(jí)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(wú)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(wú)人地面車圖2感知能力指標(biāo)的分解輛的工作環(huán)境。對(duì)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(wú)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(cè)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(dòng)行為或避開(kāi)障礙的速度行駛時(shí)檢測(cè)障礙的能力［2］。無(wú)人地面車輛通過(guò)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(cè)正負(fù)障礙

　　以一定速度（40 km/h以上）檢測(cè)障礙體現(xiàn)了系統(tǒng)的能力,，速度越快檢測(cè)難度越大［10］,。負(fù)障礙檢測(cè)仍然是無(wú)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(duì)越野環(huán)境。越野環(huán)境不同于無(wú)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(wú)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(cè)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(wú)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(guò)區(qū)域,。對(duì)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(dòng)態(tài)避碰感知

　　動(dòng)態(tài)避碰感知能力是指無(wú)人地面車輛行駛在道路上，能夠檢測(cè)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(shí)別交通信號(hào)和標(biāo)識(shí)，融入車流,，保持安全行駛,。其中自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別能力ATR［2］（區(qū)分?jǐn)秤选⒎亲鲬?zhàn)人員和車輛的能力,，并對(duì)危險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估）體現(xiàn)無(wú)人地面車輛高自主性,。

　　2.1.2全天候感知

　　對(duì)無(wú)人地面車輛自主性評(píng)價(jià)是基于某種任務(wù)環(huán)境進(jìn)行的，因此對(duì)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(píng)價(jià)指標(biāo)體系,。主要考慮由圖2中列出的天氣條件帶來(lái)的地面覆蓋（積水、雪,、落葉等）,、泥濘、能見(jiàn)度,、光照突變等影響,。

　　2.1.3態(tài)勢(shì)感知［13］

　　態(tài)勢(shì)的若干要素從不同角度和層面體現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)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(duì)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(shí)（行進(jìn)路線標(biāo)識(shí)、軍種符號(hào)等）等的識(shí)別,。

　　(2)力量對(duì)比感知

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

　　(3)社情感知

　　社情感知是對(duì)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(chǔ)備情況等的感知，屬戰(zhàn)略層的態(tài)勢(shì)感知,。

　　作戰(zhàn)目標(biāo)不同,，所關(guān)心的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)不同，且戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)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(wú)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(wú)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(wú)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(shí)庫(kù)（戰(zhàn)術(shù)文件,、作戰(zhàn)規(guī)程等）、態(tài)勢(shì)估計(jì),、任務(wù)理解和作戰(zhàn)知識(shí)等［2］,，根據(jù)需要完成獨(dú)立行動(dòng)、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(kāi)環(huán)境中障礙的運(yùn)動(dòng)軌跡的過(guò)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(wú)人地面車輛進(jìn)入工作狀態(tài)前,，結(jié)合車輛動(dòng)力學(xué),、已知地形、天候條件等先驗(yàn)知識(shí)，識(shí)別和理解任務(wù)環(huán)境,，進(jìn)行全局路徑規(guī)劃，避開(kāi)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(wú)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(duì)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(duì)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(dòng)控制能力

　　無(wú)人地面車輛運(yùn)動(dòng)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(wú)人地面車輛以最短的響應(yīng)時(shí)間通過(guò)轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)精確跟蹤期望路徑。橫向控制過(guò)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(dòng)力性的前提下,，通過(guò)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(duì)車輛速度的精確控制,?？v向控制過(guò)程中需要考慮道路線形、縱坡,、能見(jiàn)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(dòng)作在系統(tǒng)中結(jié)合的可見(jiàn)行動(dòng)模式,，它可以是天生的,、經(jīng)學(xué)習(xí)得到的，或者嚴(yán)格說(shuō)是一種激勵(lì)的響應(yīng)［2］,。無(wú)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(jí)階段,。

　　2.4.1戰(zhàn)術(shù)行為［2］

　　無(wú)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(duì)于裝備了武器的無(wú)人地面車輛,，必須具備確定目標(biāo),、作戰(zhàn)和毀傷評(píng)估行為。

　　(3)通信合作能力

　　無(wú)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(qǐng)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(yǔ)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(guò)車載無(wú)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(wú)人地面車輛在遇到無(wú)法判斷的環(huán)境時(shí),，需要與操作人員協(xié)作來(lái)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(jí)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(wú)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(wú)人系統(tǒng)可以與空中無(wú)人系統(tǒng),、水下無(wú)人系統(tǒng)經(jīng)過(guò)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(guò)經(jīng)驗(yàn)提高性能的某類程序［17］。學(xué)習(xí)可以用于無(wú)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(shí)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(guò)學(xué)習(xí)選擇能到達(dá)目標(biāo)的最優(yōu)動(dòng)作［17］。增強(qiáng)學(xué)習(xí)是一種無(wú)監(jiān)督的,、基于試錯(cuò)的學(xué)習(xí)方法,，通過(guò)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(guò)增強(qiáng)學(xué)習(xí)形成合理的行為序列完成高級(jí)協(xié)作行為,。

3結(jié)論

　　目前的無(wú)人地面車輛自主性主要體現(xiàn)在道路跟蹤,、檢測(cè)障礙、交通信號(hào)識(shí)別,、全天候行駛等技術(shù)層面,，而且主要是針對(duì)單車系統(tǒng)的。隨著智能技術(shù)的發(fā)展和車輛機(jī)動(dòng)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(wú)人地面車輛,，如何更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)其自主性是亟待解決的問(wèn)題,。本文建立的自主性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系將對(duì)未來(lái)無(wú)人地面車輛自主性評(píng)價(jià)工作的深化有一定指導(dǎo)意義,。

參考文獻(xiàn)

　　［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(wú)人地面車輛技術(shù)的發(fā)展［M］.付夢(mèng)印,，王美玲，譯.北京：國(guó)防工業(yè)出版社,，2009.

　?。?］ Office of the Secretary of Defense. Unmanned systems roadmap 20072032［Z］．Department of Defense，Washington DC,，20071210.

　?。?］ Office of the Secretary of Defense. Unmanned systems integrated roadmap FY20092034［Z］．Department of Defense，Washington DC,，20090312．［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(wú)人機(jī)自主性概念研究［J］.電光與控制，2007,，14(5)：5861.

　?。?］ 李一波，王新星,，姚宗信,等.無(wú)人平臺(tái)自主能力分級(jí)的四指標(biāo)模型［J］.電光與控制,2012,10(10)：3437.

　?。?］ 王越超，劉金國(guó).無(wú)人系統(tǒng)的自主性評(píng)價(jià)方法［J］.中國(guó)科學(xué): 科學(xué)通報(bào),，2012,，15(15)：12901299.

　　［9］ 楊哲,，張汝波.無(wú)人系統(tǒng)自主等級(jí)模糊評(píng)價(jià)方法［C］.先進(jìn)制造技術(shù)與工業(yè)信息學(xué)博士生學(xué)術(shù)論壇論文集, 2009：20432047.

　?。?0］ 陳慧巖,，熊光明，龔建偉.無(wú)人駕駛汽車概論［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社,，2014.

　?。?1］ 鄭有飛.環(huán)境科學(xué)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(xué)［M］.北京：解放軍出版社, 1990.

　?。?3］ 董志明，郭齊勝,，黃璽瑛.戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境建模與仿真［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社,，2013.

　　［14］ 李修和.戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境建模與仿真［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社,，2014.

　?。?5］ 蔡自興，陳白帆,，劉麗鈺,等.多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)同原理與技術(shù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社,，2014.

　　［16］ 林聰榕,，張玉強(qiáng).智能化無(wú)人作戰(zhàn)系統(tǒng)［M］.長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)出版社,，2008.

　　［17］ MITCHELL T M. Machine Learning(International Editions)［M］.McGrawHill,，2003.

　?。?8］ 周彤，洪炳镕,，周洪玉.基于模塊化Q學(xué)習(xí)的足球機(jī)器人合作［J］.微型機(jī)與應(yīng)用,，2005，24(10)：6568.