李 靜, 唐振民, 譚業(yè)發(fā), 石朝俠

(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) 計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

無人地面車輛自主性評價指標(biāo)體系研究*

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) 計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

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(biāo)體系。

無人地面車輛; 自主性評價; 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方法[9]，都是對ALFUS工作組三因素評價模型的擴(kuò)展。在現(xiàn)場比賽中一般以是否完成單項任務(wù)、完成任務(wù)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(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)行實時任務(wù)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(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(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個評價方面，如圖1所示，更加符合技術(shù)發(fā)展的要求。

圖1 無人地面車輛自主性能力的初步分解

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(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(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信息不列入評價指標(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；兵力可以通過部隊編制編成序列、部隊部署態(tài)勢、電磁頻譜管理態(tài)勢等進(jìn)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(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。

圖3 規(guī)劃能力指標(biāo)的分解

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(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(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。

圖4 運(yùn)動控制能力指標(biāo)的分解

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(xué)習(xí)得到的，或者嚴(yán)格說是一種激勵的響應(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。

圖5 行為能力指標(biāo)的分解

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及怎樣進(jìn)行通信，何時報告敵情、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)備接收相互間的實時狀況，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，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(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。

圖6 學(xué)習(xí)能力指標(biāo)的分解

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)確地評價其自主性是亟待解決的問題。本文建立的自主性評價指標(biāo)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(dǎo)意義。

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Research on autonomy evaluation index system of the unmanned ground vehicles

Li Jing1, Tang Zhenmin2, Tan Yefa1, Shi Zhaoxia2

(1.College of Field Engineering, PLA University of Science & Technology, Nanjing 210007, China; 2. Department of Computer Science and Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Autonomy is one of the most important performance indexes of the unmanned system. Based on the development analysis of the unmanned ground vehicles of the U.S. army, the autonomous ability of the unmanned ground vehicles (UGV) was determined as the overall objective. And it was further decomposed into five aspects according to the capacity factors such as perception ability, planning ability, motion control ability, action ability and learning ability. Moreover, each aspect of the evaluation included several capacity factors. By this means, the autonomy evaluation index system of the military UGVs was established.

unmanned ground vehicles; autonomy evaluation; index system

*國家自然科學(xué)基金(61305134, 61371040)

TP242.6

A

1674-7720(2016)02-0066-04

李靜, 唐振民, 譚業(yè)發(fā)，等. 無人地面車輛自主性評價指標(biāo)體系研究[J] .微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(2)：66-69.

2015-09-17)

李靜(1978-)，通信作者，女，博士研究生，工程師，主要研究方向：無人地面車輛自主性評價、無人地面車輛工作環(huán)境復(fù)雜度分析、多智能體協(xié)同、機(jī)械車輛技術(shù)綜合保障。E-mail：lijingwry@126.com。

唐振民(1961-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：智能機(jī)器人環(huán)境理解、多傳感器數(shù)據(jù)融合、模式識別與人工智能。

譚業(yè)發(fā)(1963-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：機(jī)械車輛技術(shù)綜合保障。