得益于機(jī)械、材料、控制、通信、光學(xué)、軟件、算法等相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，近年來，無人機(jī)系統(tǒng)的能力和關(guān)鍵技術(shù)成熟度得以不斷提升。且在技術(shù)推動(dòng)和市場拉動(dòng)的雙重作用下，無人機(jī)系統(tǒng)正逐步進(jìn)入一種良性循環(huán)的迭代發(fā)展模式：一方面，無人機(jī)系統(tǒng)在各種傳統(tǒng)的經(jīng)典任務(wù)場景中表現(xiàn)得越來越熟練和出色，逐漸實(shí)現(xiàn)了“能飛到能用”的跨越;另一方面，無人機(jī)系統(tǒng)能力的提升拓展了其應(yīng)用領(lǐng)域，在原有需求之外不斷涌現(xiàn)出更多新的和潛在的應(yīng)用場景，且來自新需求的牽引反過來促進(jìn)了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。

在上述發(fā)展過程中，面向自主性/自主能力要求的自主控制系統(tǒng)作為無人機(jī)最為重要的子系統(tǒng)之一，其研究和應(yīng)用無疑是無人機(jī)系統(tǒng)不斷成熟和走向?qū)嶋H應(yīng)用的重要推動(dòng)力量，對(duì)其理解和認(rèn)識(shí)也在不斷深化與完善。完全意義上的自主控制是無人機(jī)未來發(fā)展的必然方向和典型特征，其首要目標(biāo)是支撐無人機(jī)實(shí)現(xiàn)自主飛行和自主完成特定任務(wù)的能力。而且，近年來人工智能技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步也為自主控制系統(tǒng)智能化的“認(rèn)知”和“決策”能力實(shí)現(xiàn)提供了新的思路和動(dòng)力。

1 對(duì)自主控制系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)

一般而言，用于實(shí)現(xiàn)自主性或自主能力的控制過程都可以稱為自主控制，自主控制本質(zhì)上屬于智能控制范疇，系統(tǒng)自主性的強(qiáng)弱取決于智能水平的高低。作為自主性實(shí)現(xiàn)的重要手段，智能控制學(xué)科在基礎(chǔ)理論方面取得了長足的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。但時(shí)至今日，客觀地說，智能控制仍然不成熟，這在很大程度上歸因于關(guān)于“智能”的研究本身，智能科學(xué)這一充滿挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域至今尚未取得根本性突破，仍有大量的關(guān)鍵問題需要探索和研究。

無人系統(tǒng)是智能控制技術(shù)最為重要的應(yīng)用載體和研究方向，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，以無人機(jī)為代表的無人系統(tǒng)自20世紀(jì)90年代起出現(xiàn)了爆炸式的發(fā)展。無人系統(tǒng)與生俱來固有的自主性需求，結(jié)合智能控制等先進(jìn)控制技術(shù)發(fā)展，催生了自主控制相關(guān)概念的出現(xiàn)。自那時(shí)起，關(guān)于無人系統(tǒng)自主控制的研究在英美等發(fā)達(dá)國家開始逐漸得到重視，自主控制系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)也成為無人系統(tǒng)自主性實(shí)現(xiàn)最為重要的支撐。進(jìn)入21世紀(jì)，國內(nèi)也針對(duì)自主控制技術(shù)展開了持續(xù)的廣泛深入討論和研究，并在工程實(shí)際中開展了無人機(jī)平臺(tái)自主控制相關(guān)技術(shù)的飛行演示驗(yàn)證工作。

關(guān)于無人機(jī)智能化與自主控制，國內(nèi)行業(yè)內(nèi)的多位院士對(duì)此都有重要的相關(guān)論述。吳宏鑫院士曾明確指出：“自主運(yùn)行是目的，而智能控制與其他各種控制方法是實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)行的手段。”樊邦奎院士也曾指出，對(duì)于先進(jìn)無人機(jī)需要實(shí)現(xiàn)3個(gè)層面的智能化：“單機(jī)飛行智能化、多機(jī)協(xié)同智能化和任務(wù)自主智能化”。包為民院士曾指出：“無人系統(tǒng)智能自主控制是無人系統(tǒng)平臺(tái)、人工智能和智能控制的深度融合，其控制理論和技術(shù)具有前沿性、基礎(chǔ)性和綜合性，是支撐無人系統(tǒng)未來發(fā)展的核心領(lǐng)域之一。”趙煦院士也明確指出：“要進(jìn)一步突破無人機(jī)自主控制技術(shù)，就必須提高無人機(jī)系統(tǒng)的智能化水平。無人機(jī)自主控制的智能化主要體現(xiàn)在3個(gè)方面，即飛行的智能、決策的智能和集群的智能。無人機(jī)飛行的智能化是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)決策智能和集群智能的基礎(chǔ)，集群協(xié)同的智能化是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)全自主這一終極目標(biāo)的重要途徑?！笨梢?，無人機(jī)系統(tǒng)期望具有的是“基于自主的智能”，即智能化本質(zhì)上是為了更好地實(shí)現(xiàn)面向任務(wù)的自主化，主要技術(shù)手段則是自主控制。

無人機(jī)自主控制可以理解為非結(jié)構(gòu)化環(huán)境、非預(yù)設(shè)態(tài)勢、非程序化任務(wù)等各種不確定條件下的“高度”自動(dòng)控制，其最為主要的特性是：在無人干預(yù)的情況下，面對(duì)不確定性，實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)地解決復(fù)雜的優(yōu)化控制問題。換言之，無人機(jī)自主控制意味著在沒有人工/外部干預(yù)的條件下，無人機(jī)能夠通過在線環(huán)境/態(tài)勢的感知和信息處理，自主生成優(yōu)化的控制與管理策略，規(guī)避各種障礙和威脅，完成各種特定任務(wù)，并具有快速且有效的動(dòng)態(tài)任務(wù)適應(yīng)能力。無人機(jī)自主控制所面臨的挑戰(zhàn)主要來自運(yùn)行環(huán)境、任務(wù)及無人機(jī)系統(tǒng)自身的復(fù)雜性、不確定性和動(dòng)態(tài)性。

對(duì)于無人機(jī)自主控制系統(tǒng)，迄今尚未有一個(gè)明確的定義，而且自主控制系統(tǒng)的內(nèi)涵和認(rèn)識(shí)也隨著應(yīng)用場合、技術(shù)發(fā)展和時(shí)間的推移有所不同。但是從功能分解與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的角度出發(fā)，通常認(rèn)為無人機(jī)自主控制系統(tǒng)一般由無人機(jī)任務(wù)管理系統(tǒng)、飛行管理系統(tǒng)、控制執(zhí)行系統(tǒng)和感知與通信系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成，基于信息實(shí)施無人機(jī)的決策、管理與控制功能，在動(dòng)態(tài)和不確定環(huán)境下完成復(fù)雜任務(wù)。不同無人機(jī)自主控制系統(tǒng)的功能配置和任務(wù)應(yīng)用配置使得無人機(jī)具有不同的自主控制能力，來適應(yīng)不同的自主性要求，完成不同的任務(wù)。其主要功能是將系統(tǒng)的感知、規(guī)劃、決策和行動(dòng)等各模塊有機(jī)地結(jié)合起來。它的作用包括：把各個(gè)子系統(tǒng)連接成一個(gè)整體，包括各個(gè)部件的接口規(guī)范、通信協(xié)議和數(shù)據(jù)流程;統(tǒng)一管理、調(diào)度各個(gè)子系統(tǒng)，控制它們功能的發(fā)揮，按總體工作模型進(jìn)行協(xié)調(diào)工作，使各子系統(tǒng)步調(diào)一致地完成總體任務(wù);提供面向不確定性的智能化處理機(jī)制，在授權(quán)范圍內(nèi)且無外界人工干預(yù)的情況下，實(shí)現(xiàn)自主的決策、管理與控制。

2 無人機(jī)自主控制系統(tǒng)能力需求

對(duì)于無人機(jī)系統(tǒng)而言，由于面向不同用戶的不同平臺(tái)、不同任務(wù)場景等對(duì)自主性的要求不同，所以其自主控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的需求也不盡相同。但是仍然可以從宏觀的角度出發(fā)，研究和分析無人機(jī)自主控制系統(tǒng)的能力需求，從而為技術(shù)研究提供重要的參考和借鑒，指導(dǎo)工程實(shí)踐中無人機(jī)自主控制系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)。

截至目前，國內(nèi)已有很多專家和學(xué)者針對(duì)無人機(jī)自主控制系統(tǒng)所應(yīng)具備的能力開展了深入的研究，并形成了若干較為完善的觀點(diǎn)。北京航空航天大學(xué)王英勛研究員認(rèn)為自主無人機(jī)應(yīng)具備4種基本的能力：安全能力、感知能力、決策能力和協(xié)同能力;國防科技大學(xué)朱華勇教授［15］認(rèn)為未來無人機(jī)系統(tǒng)自主控制的技術(shù)需求主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面的能力實(shí)現(xiàn)：全面的環(huán)境感知與智能戰(zhàn)場態(tài)勢認(rèn)知能力，復(fù)雜條件下的自主導(dǎo)航、規(guī)劃與控制能力，人機(jī)智能融合與學(xué)習(xí)適應(yīng)能力，以及多平臺(tái)分布式協(xié)同能力;航空工業(yè)沈陽所范彥銘研究員基于無人機(jī)自主行為方式，認(rèn)為系統(tǒng)必須具有3種主要能力：獨(dú)立自主信息獲取能力、獨(dú)立自主信息處理與決策能力、獨(dú)立行為執(zhí)行能力。北京航天自動(dòng)控制研究所馬衛(wèi)華研究員、柳嘉潤研究員等認(rèn)為航天智能控制系統(tǒng)的能力特征可歸納為5個(gè)方面：感知與理解能力、運(yùn)動(dòng)與控制能力、學(xué)習(xí)與適應(yīng)能力、規(guī)劃與決策能力、溝通與協(xié)同能力。針對(duì)智能控制系統(tǒng)，吳宏鑫院士則明確指出其應(yīng)具備以下若干方面的能力：感知和認(rèn)知的能力、在線規(guī)劃和學(xué)習(xí)的能力、推理決策的能力、多執(zhí)行機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)操控的能力。

對(duì)上述各種觀點(diǎn)進(jìn)行歸納總結(jié)，不難發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)自主控制系統(tǒng)的能力需求和無人機(jī)自主性的體現(xiàn)是高度統(tǒng)一的，可從以下若干角度出發(fā)進(jìn)行簡要分析。

首先，倘若基于OODA循環(huán)實(shí)現(xiàn)，由于“機(jī)上無人”且“人在回路上”，所以對(duì)于無人機(jī)自主控制系統(tǒng)而言，則很自然地期望所有環(huán)節(jié)最好都能由無人機(jī)系統(tǒng)來自主完成，并形成控制閉環(huán)。這樣一來，為實(shí)現(xiàn)自主的OODA循環(huán)，必須具有相應(yīng)的感知認(rèn)知能力、評(píng)估判斷能力、規(guī)劃決策能力和控制執(zhí)行能力等。

其次，考慮無人機(jī)在實(shí)際使用中，除了無人機(jī)自身外，其應(yīng)用場景的主要元素一般還包括有自然環(huán)境、遂行任務(wù)、敵對(duì)力量、友方力量和操作/使用者等。無人機(jī)自主控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)必須綜合考慮上述各方面元素的影響，尤其是必須通過己方力量的交互、融合與協(xié)同實(shí)現(xiàn)面向飛行和任務(wù)的有效資源管理、調(diào)度與控制。因此除了上述OODA循環(huán)實(shí)現(xiàn)所必備的能力外，無人機(jī)自主控制系統(tǒng)還應(yīng)具備相應(yīng)的人機(jī)融合能力、多機(jī)協(xié)同能力等。

此外，除自主控制功能實(shí)現(xiàn)應(yīng)具備的基本能力外，還期望無人機(jī)自主控制系統(tǒng)具備一定的面向故障的容錯(cuò)修復(fù)能力，以及更具智能化的學(xué)習(xí)進(jìn)化能力。

綜上所述，無人機(jī)自主控制系統(tǒng)的主要能力需求可以概括為8項(xiàng)，分別是：感知認(rèn)知能力、評(píng)估判斷能力、規(guī)劃決策能力、控制執(zhí)行能力、人機(jī)融合能力、多機(jī)協(xié)同能力、故障容錯(cuò)能力、學(xué)習(xí)進(jìn)化能力。

2.1 感知認(rèn)知能力

感知是獲取外界信息的手段，認(rèn)知是通過所感知事物形成知識(shí)/認(rèn)識(shí)。感知認(rèn)知能力是無人機(jī)自主控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。尤其在復(fù)雜和不確定條件下，只有具備相應(yīng)的感知認(rèn)知能力，無人機(jī)才能獲取足夠且正確的飛行/任務(wù)環(huán)境信息、自身運(yùn)動(dòng)和系統(tǒng)狀態(tài)信息，以及操作指令和任務(wù)目標(biāo)信息等，支撐自主控制系統(tǒng)所期望功能和性能的實(shí)現(xiàn)。

感知認(rèn)知的對(duì)象是各種來源的相關(guān)信息，所以，相應(yīng)地，感知認(rèn)知能力可以理解為針對(duì)信息的獲取、識(shí)別/甄別和基于信息的建模等相關(guān)能力。其中，感知能力側(cè)重于前端信息的收集和獲取，一方面解決信息“有無”的問題，另一方面還要從各種信息中分辨和提取出有用的信息，解決“好壞”的問題;認(rèn)知能力則更加側(cè)重于后端信息的處理和理解。感知能力可認(rèn)為是認(rèn)知能力的基礎(chǔ)，與感知能力相比較，認(rèn)知能力更復(fù)雜也更抽象，同時(shí)含有一定程度的主觀色彩，例如可以基于感知信息，建立關(guān)于環(huán)境/威脅/任務(wù)等具有一定偏好的認(rèn)知模型等。

2.2 評(píng)估判斷能力

無人機(jī)自主控制系統(tǒng)的評(píng)估判斷能力是感知認(rèn)知能力的延伸，在基于感知認(rèn)知獲取相應(yīng)的信息并建立認(rèn)知模型后，需要對(duì)敵我態(tài)勢/意圖、環(huán)境/敵方威脅、自我健康等做出有效評(píng)估和判斷。

從數(shù)據(jù)融合的角度出發(fā)，評(píng)估判斷能力屬于高層次數(shù)據(jù)融合的范疇。顯然，評(píng)估判斷能力的強(qiáng)弱直接影響自主控制系統(tǒng)的運(yùn)行，誤評(píng)和誤判可能會(huì)帶來災(zāi)難性的后果。典型的評(píng)估判斷能力是態(tài)勢評(píng)估能力和威脅估計(jì)能力。其中，態(tài)勢評(píng)估是基于“敵方+我方+環(huán)境+任務(wù)”等多種信息，實(shí)現(xiàn)反映戰(zhàn)場/競爭/運(yùn)行態(tài)勢的多層視圖融合;威脅估計(jì)需要綜合威脅主體、行為、能力、意圖、態(tài)勢、事件等多因素，做到“感知-理解-預(yù)測”，屬于更高層級(jí)的融合。

2.3 規(guī)劃決策能力

規(guī)劃與決策能力也是自主控制系統(tǒng)智能化的重要體現(xiàn)。無人機(jī)要減少人的實(shí)時(shí)控制參與，增強(qiáng)自主控制能力，就必須在不確定的情況下自己做出規(guī)劃與決策，這一能力的強(qiáng)弱體現(xiàn)了“預(yù)先設(shè)定”和“隨機(jī)應(yīng)變”的巨大區(qū)別。

面向目標(biāo)和任務(wù)的規(guī)劃與決策能力，其實(shí)現(xiàn)依賴于人的經(jīng)驗(yàn)、智能控制方法和軟硬件的支持，實(shí)施的主要依據(jù)來源于數(shù)據(jù)鏈傳遞的信息、本源數(shù)據(jù)庫有關(guān)數(shù)據(jù)、感知認(rèn)知獲取的相關(guān)信息及評(píng)估判斷的結(jié)果。在無人機(jī)自主控制系統(tǒng)中，典型的規(guī)劃決策能力體現(xiàn)包括軌跡規(guī)劃、任務(wù)規(guī)劃、戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)決策等。

2.4 控制執(zhí)行能力

對(duì)無人機(jī)自主控制系統(tǒng)而言，控制執(zhí)行能力主要面向無人機(jī)機(jī)動(dòng)飛行，是基于規(guī)劃與決策的結(jié)果改變自身位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的能力。其通常與被控對(duì)象緊耦合，不僅需要實(shí)現(xiàn)一定程度的快速性、敏捷性和機(jī)動(dòng)性，而且對(duì)控制精度、穩(wěn)定性、魯棒性等屬性也有相應(yīng)的要求。

控制執(zhí)行能力的優(yōu)劣不僅取決于控制模態(tài)和控制算法的設(shè)計(jì)，也依賴于有效的傳感裝置與執(zhí)行機(jī)構(gòu)。例如，對(duì)于未來的無人作戰(zhàn)自主飛行器而言，為了兼顧機(jī)動(dòng)性和隱身性等要求，可能會(huì)采用變體構(gòu)型等先進(jìn)設(shè)計(jì)，所帶來的復(fù)雜性、非線性和不確定性對(duì)于系統(tǒng)的控制執(zhí)行能力是巨大的挑戰(zhàn)。

2.5 人機(jī)融合能力

在無人機(jī)的實(shí)際使用中，離不開人的參與，且應(yīng)始終貫徹“以人為中心”的原則。所以盡管絕大多數(shù)時(shí)間“人在回路上”，人機(jī)融合能力仍是自主控制系統(tǒng)所必不可少的。通過人機(jī)融合能力的實(shí)現(xiàn)，無人機(jī)和操作使用者之間、無人機(jī)和有人系統(tǒng)之間才能建立起溝通與協(xié)作的橋梁。

人機(jī)融合能力可理解為智能系統(tǒng)技術(shù)與平臺(tái)控制技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，其實(shí)現(xiàn)涉及人機(jī)接口、人機(jī)分工、人機(jī)協(xié)同等相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域。美國空軍也在《自主地平線》等重要報(bào)告中明確指出人機(jī)共生/共融是自主系統(tǒng)的未來重要發(fā)展方向。

2.6 多機(jī)協(xié)同能力

面向日益復(fù)雜的任務(wù)和應(yīng)用環(huán)境，無人機(jī)系統(tǒng)的使用模式已經(jīng)逐步由單平臺(tái)發(fā)展為更靈活的多平臺(tái)（有人/無人、無人/無人）協(xié)同操作方式，因此，自主控制系統(tǒng)也必須根據(jù)實(shí)際任務(wù)需求建立相應(yīng)的多機(jī)協(xié)同能力。

具備多機(jī)協(xié)同能力的無人機(jī)系統(tǒng)，可以完成單一無人平臺(tái)所不能完成的一些復(fù)雜任務(wù)，例如協(xié)同感知、協(xié)同攻擊、協(xié)同干擾等。要實(shí)現(xiàn)這一能力，必須解決復(fù)雜性、分布性、異構(gòu)性等問題，這對(duì)與之相關(guān)的通信、信息處理、管理和調(diào)度提出了一系列的挑戰(zhàn)。

2.7 故障容錯(cuò)能力

容錯(cuò)能力即自動(dòng)/自主處理故障的能力，無人機(jī)自主控制系統(tǒng)應(yīng)針對(duì)突發(fā)的系統(tǒng)故障、戰(zhàn)損等，具備一定程度的容錯(cuò)甚至修復(fù)能力，從而能自主處理飛行中的故障，為任務(wù)的執(zhí)行提供有效的保障。

要想具備故障容錯(cuò)能力，在無人機(jī)自主控制系統(tǒng)中必須建立故障/錯(cuò)誤的實(shí)時(shí)檢測、隔離、恢復(fù)和預(yù)測等相應(yīng)功能，主要通過主動(dòng)容錯(cuò)和被動(dòng)容錯(cuò)相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。例如，常見的容錯(cuò)手段包括故障檢測/診斷/隔離、系統(tǒng)冗余/備份、自修復(fù)/重構(gòu)控制、系統(tǒng)降級(jí)處理等。

2.8 學(xué)習(xí)進(jìn)化能力

學(xué)習(xí)進(jìn)化能力是自主控制系統(tǒng)高度智能化的重要體現(xiàn)之一，是指可通過自主的學(xué)習(xí)、修正和不斷進(jìn)化，提高系統(tǒng)相關(guān)性能的能力。其中，學(xué)習(xí)是指對(duì)已有經(jīng)驗(yàn)和信息進(jìn)行處理、加工和提煉，形成自身所掌握的知識(shí);進(jìn)化則是指自身知識(shí)的不斷迭代優(yōu)化和提升。

隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的進(jìn)步，無人機(jī)自主控制系統(tǒng)有望逐步具備一定程度的學(xué)習(xí)和進(jìn)化能力，尤其是面向某些特定的任務(wù)場景，如自主空戰(zhàn)決策等領(lǐng)域，數(shù)年前美國的ALPHA自主空戰(zhàn)模擬系統(tǒng)就已展現(xiàn)出非常強(qiáng)大的相關(guān)能力。學(xué)習(xí)和進(jìn)化能力的工程化實(shí)現(xiàn)為期不遠(yuǎn)，非常值得期待。

需要強(qiáng)調(diào)的是，無人機(jī)自主控制系統(tǒng)的上述8項(xiàng)能力需求并不是彼此獨(dú)立的，而是相互滲透、相互作用和相互促進(jìn)的關(guān)系，應(yīng)該在系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程中予以統(tǒng)一考慮。所提及的前4項(xiàng)能力依次遞進(jìn)，前者是后者的基礎(chǔ)，后者是前者的目的;在前4項(xiàng)能力的基礎(chǔ)上，才能實(shí)現(xiàn)面向任務(wù)的人機(jī)融合能力和多機(jī)協(xié)同能力;故障容錯(cuò)能力和學(xué)習(xí)進(jìn)化能力的具備則可以更進(jìn)一步提升前6項(xiàng)能力。只有上述多方面能力的協(xié)調(diào)發(fā)展，才能達(dá)成并促進(jìn)自主控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和進(jìn)步。

3 無人機(jī)自主控制系統(tǒng)功能組成

無人機(jī)的自主控制系統(tǒng)是一個(gè)大型、復(fù)雜且面向不確定性的系統(tǒng)，它由多個(gè)子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)之間既有聯(lián)系也相互獨(dú)立，因此盡可能模塊化設(shè)計(jì)并獨(dú)立控制，防止一個(gè)子系統(tǒng)的故障影響其他子系統(tǒng)，然而它又是一個(gè)整體，應(yīng)保持各子系統(tǒng)之間的統(tǒng)一管理與操作，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)整體性能的發(fā)揮和智能水平的高低。

自主控制系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的飛行控制與管理，它是無人機(jī)機(jī)載系統(tǒng)中的飛行和安全關(guān)鍵系統(tǒng)。參考有人駕駛第四代戰(zhàn)斗機(jī)的綜合飛行器管理系統(tǒng)相關(guān)概念和定義，一般可認(rèn)為無人機(jī)自主控制系統(tǒng)在物理結(jié)構(gòu)上由任務(wù)管理系統(tǒng)（Mission Management System，MMS）和飛行器管理系統(tǒng)（Vehicle Managenent System，VMS）兩大主要部分組成。顧名思義，MMS主要面向任務(wù)的執(zhí)行管理，而VMS主要面向飛行功能的實(shí)現(xiàn)和保障。

為便于理解，可將MMS和VMS對(duì)應(yīng)到智能控制系統(tǒng)的功能分層遞階結(jié)構(gòu)中，其中，MMS處于頂層，VMS位于底層。在功能劃分上，VMS主要承擔(dān)協(xié)調(diào)層和執(zhí)行層的相關(guān)功能，而 MMS主要實(shí)現(xiàn)組織和決策層的作用。因此，基于上述組成和結(jié)構(gòu)，無人機(jī)自主控制系統(tǒng)通常需要實(shí)現(xiàn)以下主要功能。

3.1 任務(wù)管理

任務(wù)管理的實(shí)現(xiàn)是基于任務(wù)目標(biāo)，依托機(jī)載MMS達(dá)成可變自主權(quán)限的任務(wù)決策和管理，主要包括以下功能模塊：可變自主權(quán)限的判斷（由任務(wù)控制站授權(quán)）;任務(wù)排序、分配;本機(jī)任務(wù)規(guī)劃和實(shí)時(shí)重規(guī)劃;任務(wù)解釋;任務(wù)流程和任務(wù)執(zhí)行管理;系統(tǒng)監(jiān)視和異常處理;任務(wù)載荷管理與控制;敵我識(shí)別與目標(biāo)定位;機(jī)站通信等。

3.2 飛行管理

飛行管理功能歸屬于智能控制系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)中的協(xié)調(diào)層，主要作用是管理和導(dǎo)引無人機(jī)以最優(yōu)的方式自動(dòng)化地實(shí)現(xiàn)飛行計(jì)劃，同時(shí)也可直接接受指令導(dǎo)引。飛行管理的主要功能包括：導(dǎo)航解算（包括綜合導(dǎo)航、相對(duì)導(dǎo)航）;飛行階段管理;飛行性能管理;航線管理（含航跡規(guī)劃與重規(guī)劃）;機(jī)動(dòng)軌跡生成;制導(dǎo)（含四維制導(dǎo)、加油制導(dǎo)、編隊(duì)制導(dǎo)、艦載起降制導(dǎo)等）;編隊(duì)協(xié)同等。

3.3 控制與執(zhí)行

控制與執(zhí)行主要是指傳統(tǒng)意義上的飛行控制與綜合控制功能，根據(jù)飛行管理生成和航跡指令對(duì)無人機(jī)和動(dòng)力進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)平臺(tái)的速度控制和姿態(tài)控制，從而確保實(shí)現(xiàn)高精度的航跡跟蹤，達(dá)成任務(wù)所需的平臺(tái)飛行狀態(tài)。其主要功能包括：控制模態(tài)選擇;廣義操縱面控制（含氣動(dòng)、矢量、進(jìn)氣道、滑行糾偏裝置等）;發(fā)動(dòng)機(jī)全權(quán)限數(shù)字控制;綜合飛/火/推控制;邊界保護(hù)和極限狀態(tài)抑制;自修復(fù)重構(gòu)控制等。

3.4 平臺(tái)設(shè)備管理

平臺(tái)設(shè)備管理主要完成無人機(jī)上與任務(wù)管理、飛行管理和飛行控制直接相關(guān)的傳感器及任務(wù)設(shè)備（如導(dǎo)航、大氣數(shù)據(jù)、雷達(dá)、鏈路等）的工作狀態(tài)故障監(jiān)控、控制與管理等工作。其主要功能包括：運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)傳感器管理;伺服系統(tǒng)管理;通信鏈路管理;能源管理（含輔助動(dòng)力、燃油、電氣、液壓等）;起落架/剎車系統(tǒng)管理等。

3.5 系統(tǒng)健康管理

健康管理主要用來監(jiān)控、預(yù)測機(jī)載傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)體等，實(shí)現(xiàn)其健康狀態(tài)和故障的診斷、緩解、修復(fù)和檢驗(yàn)，并將結(jié)果進(jìn)行記錄和發(fā)送報(bào)告，其主要功能包括：BIT;余度管理;故障檢測、診斷、隔離和預(yù)測;數(shù)據(jù)記錄與發(fā)送等。

4 無人機(jī)自主控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

與有人駕駛飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)相比，先進(jìn)無人機(jī)的自主控制系統(tǒng)無疑要復(fù)雜得多。從當(dāng)前技術(shù)水平和發(fā)展現(xiàn)狀來看，無人機(jī)控制系統(tǒng)的“自動(dòng)化”已經(jīng)解決了飛行自動(dòng)控制的問題，但是還遠(yuǎn)未解決智能自主控制的問題。對(duì)于其關(guān)鍵技術(shù)，國內(nèi)外相關(guān)研究和綜述不少，可重點(diǎn)參考美國國防部在2012年發(fā)布的經(jīng)典文件《The Role of Autonomy in DoD Systems》，其總結(jié)了無人系統(tǒng)自主性相關(guān)的六大核心技術(shù)，分別是感知、規(guī)劃、學(xué)習(xí)、人機(jī)交互、自然語言理解和多智能體協(xié)同，并基于認(rèn)知層次視圖給出了技術(shù)現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)，至今對(duì)自主控制關(guān)鍵技術(shù)的分析和提煉仍具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

基于已有研究和實(shí)踐不難發(fā)現(xiàn)，自主控制尚未解決的核心問題絕大多數(shù)集中于決策層、組織層和協(xié)調(diào)層。因此，面向?qū)嶋H飛行和任務(wù)場景，結(jié)合能力需求，自主控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)可以歸納如下。需要說明的是，以下所述各關(guān)鍵技術(shù)并不是相互獨(dú)立的，它們之間存在密切的聯(lián)系，甚至在局部有所交叉和融合，在研究、應(yīng)用和實(shí)踐中應(yīng)整體予以考慮。

4.1 自主控制系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

無人機(jī)自主控制系統(tǒng)體系架構(gòu)的主要任務(wù)是把各個(gè)子系統(tǒng)連接成一個(gè)整體，統(tǒng)一管理調(diào)度各個(gè)子系統(tǒng)，使各子系統(tǒng)步調(diào)一致地完成總體任務(wù)，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到無人機(jī)系統(tǒng)整體性能的發(fā)揮和智能水平的高低。

自主控制技術(shù)的作用對(duì)象和應(yīng)用場景較以往自動(dòng)控制系統(tǒng)更為復(fù)雜和動(dòng)態(tài)，從效能的角度出發(fā)，未來無人機(jī)的工作方式將涵蓋單機(jī)行動(dòng)和多機(jī)協(xié)同的模式。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)時(shí)應(yīng)對(duì)諸多要素進(jìn)行綜合考慮，其中包括將整個(gè)機(jī)群的使命分解為每架無人機(jī)的具體目標(biāo)、在線任務(wù)計(jì)劃、在線優(yōu)化編隊(duì)的任務(wù)航線、軌跡的規(guī)劃和跟蹤、編隊(duì)中不同無人機(jī)間相互的協(xié)調(diào)、在兼顧環(huán)境不確定性及自身故障和損傷的情況下實(shí)現(xiàn)重構(gòu)控制和故障管理等。因此需要設(shè)計(jì)合理的系統(tǒng)架構(gòu)，妥善解決軟、硬件功能劃分和系統(tǒng)內(nèi)各要素的協(xié)調(diào)問題，確保復(fù)雜系統(tǒng)的靈活、開放、可配置。

針對(duì)這樣的要求，當(dāng)前廣泛接受的解決方案是采用分層遞階式的設(shè)計(jì)模式，將系統(tǒng)分為任務(wù)、決策、執(zhí)行等多個(gè)功能層次實(shí)現(xiàn)，以便保證任務(wù)和決策等高層功能的設(shè)計(jì)與底層控制執(zhí)行等限制解耦。在保證層間輸入輸出關(guān)系固定的基礎(chǔ)上，每層功能設(shè)計(jì)可以采用靈活的形式。無人機(jī)自主控制系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以選擇集中式或分布式的通信/決策邏輯，并利用通用總線來連接各個(gè)子系統(tǒng)。

4.2 （多源）信息采集、處理與融合技術(shù)

正確可靠、及時(shí)有效的信息是自主控制系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃、決策、管理和控制的前提。多源不確定信息的采集、處理與融合技術(shù)不僅直接支撐無人機(jī)感知能力的實(shí)現(xiàn)，也是其他各種能力實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，在信息復(fù)雜、高度對(duì)抗、任務(wù)多變的使用環(huán)境中發(fā)揮著不可或缺的重要作用。

通常情況下，多源信息采集、處理與融合過程可簡單描述為首先通過多種來源的傳感器或信息交互途徑獲得相關(guān)信息，然后依據(jù)某種準(zhǔn)則對(duì)獲取的信息進(jìn)行組合與處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)所獲數(shù)據(jù)信息的結(jié)構(gòu)化表示，從而獲得平臺(tái)自身、環(huán)境、目標(biāo)、態(tài)勢、威脅等相關(guān)的可用信息。所以對(duì)無人機(jī)自主控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)而言，前端的多源信息采集、處理與融合技術(shù)嚴(yán)格來說是一個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，范圍較廣，主要涉及以下相關(guān)子技術(shù)：先進(jìn)傳感器實(shí)現(xiàn)技術(shù)（如時(shí)間/位移、導(dǎo)航/定位、探測/檢測等傳感器）;傳感器信號(hào)處理技術(shù)（校正、補(bǔ)償、降噪、時(shí)空同步等）;自主導(dǎo)航、定位與授時(shí)技術(shù)（含相對(duì)導(dǎo)航）;非結(jié)構(gòu)化未知環(huán)境感知與建模技術(shù);目標(biāo)檢測、識(shí)別、跟蹤技術(shù);敵/我行為理解和意圖識(shí)別技術(shù);信息交互與共享技術(shù);態(tài)勢評(píng)估/威脅估計(jì)技術(shù)等。

多源信息采集、處理與融合技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)主要來自信息的不確定性，即在復(fù)雜、對(duì)抗條件下獲取的信息可能是非結(jié)構(gòu)的、不完整的、含有噪聲的、非同步的、不可預(yù)見的，甚至是欺騙的。此外，所獲取信息的數(shù)據(jù)形式往往也呈現(xiàn)出高維、海量、動(dòng)態(tài)等特征，對(duì)無人機(jī)機(jī)載條件下采集、處理與融合技術(shù)的實(shí)時(shí)性也提出了很高的要求。

4.3 在線實(shí)時(shí)規(guī)劃與自主決策技術(shù)

自主控制的重要特征之一就是可在不確定條件下求解復(fù)雜的規(guī)劃與決策問題，無人機(jī)自主控制系統(tǒng)的在線實(shí)時(shí)規(guī)劃與自主決策技術(shù)主要面向飛行管理和任務(wù)管理相關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)。

規(guī)劃本質(zhì)上是已有能力和目標(biāo)代價(jià)之間的優(yōu)化折中，無人機(jī)自主控制系統(tǒng)中的規(guī)劃問題主要是指任務(wù)規(guī)劃，一般包括任務(wù)優(yōu)先級(jí)排序、多任務(wù)分配、航跡規(guī)劃、任務(wù)載荷規(guī)劃、通信拓?fù)湟?guī)劃，以及針對(duì)系統(tǒng)保障和應(yīng)急的預(yù)案規(guī)劃等。通常情況下，規(guī)劃可以分為離線的全局規(guī)劃，以及在線實(shí)時(shí)的重規(guī)劃。目前研究比較多的是航跡規(guī)劃技術(shù)和任務(wù)分配技術(shù)，均取得了一系列不錯(cuò)的成果，并逐步走向工程應(yīng)用。

決策實(shí)際上是一個(gè)在可行方案中的選擇過程，需要基于所獲信息和已有知識(shí)，進(jìn)行有效的推理、評(píng)估和預(yù)測，從而得到最終的結(jié)果。無人機(jī)自主控制系統(tǒng)中的決策主要指自主行為決策，如自主空戰(zhàn)中的戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)決策等。

在線實(shí)時(shí)規(guī)劃和自主決策技術(shù)的挑戰(zhàn)一方面來自環(huán)境及任務(wù)的復(fù)雜性和不確定性，另一方面來自于系統(tǒng)應(yīng)用規(guī)模擴(kuò)大所帶來的復(fù)雜性。例如，在面向無人機(jī)協(xié)同或集群控制的分布式?jīng)Q策中，每個(gè)智能體在進(jìn)行決策時(shí)，不僅需要考慮環(huán)境和智能體自身的模型，而且需要考慮其他智能體可能采取的策略，從而使問題具有高度復(fù)雜的策略空間，而且隨著個(gè)體數(shù)量和規(guī)劃問題規(guī)模的增加，其復(fù)雜性呈指數(shù)增長，很快變得難以求解。

4.4 高精度/魯棒/自適應(yīng)/容錯(cuò)控制與執(zhí)行技術(shù)

高精度/魯棒/自適應(yīng)/容錯(cuò)控制與執(zhí)行技術(shù)屬于傳統(tǒng)飛行控制領(lǐng)域的范疇，主要應(yīng)用于分層遞階結(jié)構(gòu)的執(zhí)行層。其中，高精度的指令跟蹤控制技術(shù)是無人機(jī)實(shí)現(xiàn)飛行和任務(wù)的必要保障，尤其是在一些特定的任務(wù)場景中，如著陸/著艦、空中加（受）油、編隊(duì)飛行、避障飛行等，控制精度對(duì)任務(wù)的執(zhí)行將起到?jīng)Q定性作用;魯棒控制技術(shù)主要針對(duì)被控對(duì)象中存在的不確定性（如結(jié)構(gòu)不確定性和參數(shù)不確定性等），用于保證系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性和魯棒性能;自適應(yīng)控制技術(shù)則可以面向控制對(duì)象的大范圍動(dòng)態(tài)變化，提供滿意的飛行品質(zhì)，傳統(tǒng)飛行控制中多采用線性控制方法加上增益調(diào)參策略予以解決，未來的主要研究和發(fā)展方向包括面向大包線飛行的非線性自適應(yīng)控制技術(shù)、面向任務(wù)變化的任務(wù)自適應(yīng)控制技術(shù)，以及面向變體飛行器的大可變構(gòu)型自適應(yīng)控制技術(shù);容錯(cuò)控制技術(shù)是系統(tǒng)容錯(cuò)能力實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，容錯(cuò)能力主要體現(xiàn)在故障的自主診斷能力和系統(tǒng)在線運(yùn)行過程中針對(duì)故障的重構(gòu)能力，因此容錯(cuò)控制技術(shù)的主要研究內(nèi)容包括故障檢測/診斷/隔離、自修復(fù)重構(gòu)控制等。

此外，高可靠、高帶寬、高功重比的控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)也是無人機(jī)自主控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，需要針對(duì)相應(yīng)的伺服作動(dòng)技術(shù)展開深入研究，如電液伺服閥技術(shù)、直接驅(qū)動(dòng)閥技術(shù)、液壓密封技術(shù)、電靜液伺服作動(dòng)技術(shù)、機(jī)電伺服作動(dòng)技術(shù)、作動(dòng)器耐久性綜合評(píng)價(jià)與驗(yàn)證技術(shù)等。

4.5 面向任務(wù)的自主協(xié)同控制技術(shù)

協(xié)同是面向任務(wù)的高級(jí)智能活動(dòng)，在任務(wù)復(fù)雜/艱巨，且執(zhí)行個(gè)體能力有限的情況下，可通過個(gè)體之間的協(xié)同與合作有效完成復(fù)雜任務(wù)。面向任務(wù)的自主協(xié)同控制是無人機(jī)高級(jí)自主能力的體現(xiàn)。無人機(jī)的自主協(xié)同控制技術(shù)主要解決多無人機(jī)以及人和無人機(jī)之間的協(xié)作行為控制，實(shí)現(xiàn)有人-無人平臺(tái)協(xié)同任務(wù)以及多無人平臺(tái)間的協(xié)同任務(wù)。其面臨的挑戰(zhàn)除了來自各種不確定性，同時(shí)還需要解決處理分布式協(xié)同決策、管理與控制的難題?，F(xiàn)階段，面向任務(wù)的自主協(xié)同控制相關(guān)研究主要集中兩個(gè)方向：有人-無人協(xié)同控制技術(shù)和編隊(duì)協(xié)同控制技術(shù)。

在有人-無人協(xié)同控制技術(shù)方向上，主要問題首先是如何實(shí)現(xiàn)人-機(jī)系統(tǒng)的能力匹配，需要通過可變權(quán)限的自主控制，使得控制的權(quán)限在飛行員、輔助系統(tǒng)、自主系統(tǒng)之間動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移。同時(shí)需要解決人-機(jī)合作行為控制的問題，主要包括：人為干預(yù)/意圖的數(shù)學(xué)建模與推理判斷，合作行為控制器的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其多回路控制穩(wěn)定性分析等。

在編隊(duì)協(xié)同控制技術(shù)研究方向上，主要的研究內(nèi)容包括隊(duì)形設(shè)計(jì)與保持、隊(duì)形動(dòng)態(tài)調(diào)整與變換、編隊(duì)飛行控制、編隊(duì)重構(gòu)控制、編隊(duì)防撞/避障等。例如，在編隊(duì)飛行控制中，常見的實(shí)現(xiàn)方法包括：Leader-Follower方法、基于行為的方法、虛擬結(jié)構(gòu)法、一致性方法等。

5 無人機(jī)自主控制系統(tǒng)特征與發(fā)展趨勢

無人機(jī)自主控制系統(tǒng)的發(fā)展途徑基本上是以傳統(tǒng)的制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制（GNC）系統(tǒng)為基礎(chǔ)，借鑒已有的技術(shù)基礎(chǔ)和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)無人機(jī)任務(wù)和環(huán)境的復(fù)雜性、動(dòng)態(tài)性和不確定性，并考慮相應(yīng)的人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)，在其各項(xiàng)功能上進(jìn)行面向自主性要求的拓展。在這一螺旋迭代、漸進(jìn)發(fā)展過程中，無人機(jī)自主控制系統(tǒng)呈現(xiàn)出以下較為典型的技術(shù)特征和趨勢。

5.1 控制對(duì)象向混合、動(dòng)態(tài)的復(fù)雜大系統(tǒng)發(fā)展

無人機(jī)自主控制系統(tǒng)不僅需要實(shí)現(xiàn)無人機(jī)平臺(tái)的自主飛行，而且需要結(jié)合所執(zhí)行的任務(wù)，面向各種不確定性，實(shí)現(xiàn)任務(wù)自適應(yīng)自主飛行。更進(jìn)一步，隨著參與飛行和任務(wù)無人機(jī)數(shù)量的增加，還需要實(shí)現(xiàn)多無人機(jī)協(xié)同任務(wù)自適應(yīng)自主飛行。顯然，控制的要求已不再是單一的飛行控制，目標(biāo)也隨著飛行和任務(wù)的不同變得多樣且可能互相制約。因此無人機(jī)自主控制系統(tǒng)無疑是一個(gè)多結(jié)構(gòu)、多尺度、多模式混合的復(fù)雜大系統(tǒng)，具有離散符號(hào)和連續(xù)動(dòng)力學(xué)混雜的典型特征，而且除控制外，還涉及感知、信息交互、決策、管理等多方面內(nèi)容。

早在30 多年前，關(guān)肇直和許國志兩位先賢針對(duì)當(dāng)時(shí)流行的大系統(tǒng)熱就明確地指出：“系統(tǒng)規(guī)模大不是問題的實(shí)質(zhì)，從理論上講規(guī)模大的線性系統(tǒng)與規(guī)模較小的線性系統(tǒng)并無本質(zhì)上的差異，問題在于非線性，而特別值得研究的是上層由運(yùn)籌學(xué)決定而下層由動(dòng)力學(xué)確定的復(fù)雜系統(tǒng)。”無人機(jī)自主控制系統(tǒng)作為一個(gè)典型的事件驅(qū)動(dòng)與時(shí)間驅(qū)動(dòng)的混合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，正屬于上述復(fù)雜系統(tǒng)的范疇。

5.2 控制結(jié)構(gòu)向開放式層次化的控制系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)展

無人機(jī)自主控制系統(tǒng)作為一種典型大規(guī)模復(fù)雜智能化系統(tǒng)，功能要素多、邏輯關(guān)系多、層次結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)系統(tǒng)對(duì)周期、成本、維護(hù)性、通用性、擴(kuò)展性等都有較強(qiáng)的要求，所以其實(shí)現(xiàn)通常采用開放式層次化的控制系統(tǒng)架構(gòu)。自主控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)一般按照智能控制系統(tǒng)IPDI原則，建立系統(tǒng)的層次劃分架構(gòu)，且在各層次之間采用標(biāo)準(zhǔn)接口。這種開放式的系統(tǒng)架構(gòu)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，不僅便于不同系統(tǒng)部件之間的互連、互通和互操作，而且便于硬件和軟件的移植和重用，也便于系統(tǒng)功能的增強(qiáng)和擴(kuò)充。采用開放式層次化系統(tǒng)架構(gòu)，不僅可以提高系統(tǒng)的冗余和重構(gòu)能力，而且可以用最低的生命周期費(fèi)用達(dá)到所要求的任務(wù)性能和保障性，并為系統(tǒng)功能的擴(kuò)展和性能改進(jìn)奠定基礎(chǔ)。

此外，開放式系統(tǒng)架構(gòu)不僅涉及各種相關(guān)硬件，也涉及軟件。軟件開放系統(tǒng)、軟件可重復(fù)使用、軟件可變規(guī)模與硬件的開放性同樣重要，也是降低系統(tǒng)全壽命周期費(fèi)用、縮短研制開發(fā)周期的重要措施。例如，近年來由美國海軍航空系統(tǒng)司令部發(fā)起，廣受關(guān)注的“未來機(jī)載能力環(huán)境”（Future Airborne Capability Environment，F(xiàn)ACE）標(biāo)準(zhǔn)，就是一種典型的開放式軟件架構(gòu)策略，通過在已安裝好硬件的軍用航電平臺(tái)上建立軟件通用操作環(huán)境，使 FACE 組件應(yīng)用在不同平臺(tái)上可被重新部署，從而實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)的可移植性和重用性。

5.3 控制功能實(shí)現(xiàn)向標(biāo)準(zhǔn)模塊化設(shè)計(jì)發(fā)展

標(biāo)準(zhǔn)的模塊化設(shè)計(jì)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡化和綜合化的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可重構(gòu)的基礎(chǔ)。對(duì)于自主控制系統(tǒng)，一方面基于開放式系統(tǒng)架構(gòu)，另一方面結(jié)合面向功能實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)際上更多的是采用所謂“模塊化開放式系統(tǒng)架構(gòu)（Modular Open System Approach，MOSA）”思想，可視為是綜合模塊化航電（Integrated Modular Avionics，IMA）設(shè)計(jì)思想的擴(kuò)展和延伸，其實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)則主要包括：建立MOSA使能環(huán)境、采用模塊化設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)關(guān)鍵接口、使用開放式標(biāo)準(zhǔn)和驗(yàn)證一致性。

開放式系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)化模塊能有效地將各子系統(tǒng)集成到更大的系統(tǒng)中，使需求和應(yīng)用相適應(yīng)，從而提升系統(tǒng)集成能力、縮短系統(tǒng)研發(fā)周期、節(jié)約系統(tǒng)維護(hù)成本，確保系統(tǒng)能夠與其他所有相關(guān)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互操作。在無人機(jī)自主控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中，根據(jù)MOSA思想，同時(shí)結(jié)合軟件使能控制（Software Enabled Control，SEC）中的開放式控制平臺(tái)（Open Control Platform，OCP）技術(shù)，采用標(biāo)準(zhǔn)化的物理/邏輯接口，將系統(tǒng)的各種功能進(jìn)行模塊化分解與積木式集成，在可擴(kuò)展的框架下實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同的可配置應(yīng)用，從而更好地滿足系統(tǒng)開放性、可擴(kuò)展、可配置、便于維護(hù)/升級(jí)等要求。此外，結(jié)合低成本可消耗的需求，近年來美軍大力推進(jìn)的“馬賽克戰(zhàn)”也同樣是上述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)思想的延伸和發(fā)展。

5.4 控制算法設(shè)計(jì)向多變量、非線性方向發(fā)展

與有人駕駛飛機(jī)相比，由于機(jī)上無人，無人機(jī)（尤其是現(xiàn)代先進(jìn)無人機(jī)）的設(shè)計(jì)約束相對(duì)更少，從飛行包線、機(jī)動(dòng)性、敏捷性等角度出發(fā)，無人機(jī)可挖掘的潛力比有人駕駛飛機(jī)要大得多，這種潛力的有效釋放很大程度上依賴于優(yōu)秀的控制算法和控制策略。此外，在有人駕駛飛機(jī)的飛行控制律設(shè)計(jì)過程中，出于安全性、繼承性等考慮，實(shí)際操作中往往趨于保守，使得多變量、非線性控制技術(shù)的工程化應(yīng)用進(jìn)展相對(duì)緩慢。

現(xiàn)代先進(jìn)無人機(jī)作為一類典型的強(qiáng)非線性的多輸入多輸出系統(tǒng)，隨著任務(wù)和使命要求的不斷發(fā)展，其復(fù)雜程度和控制要求也在不斷提高，用于實(shí)現(xiàn)無人機(jī)飛行的控制算法設(shè)計(jì)也趨于復(fù)雜，呈現(xiàn)出多模態(tài)、多約束、多準(zhǔn)則的典型特征。為了在整個(gè)飛行包線內(nèi)保證系統(tǒng)穩(wěn)定，且具有良好的動(dòng)/靜態(tài)品質(zhì)，多變量、非線性控制技術(shù)有機(jī)會(huì)率先在無人機(jī)領(lǐng)域得到應(yīng)用。而且近年來，國內(nèi)外通過各類小型無人機(jī)的相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證與應(yīng)用，關(guān)鍵技術(shù)的成熟度得到了很大提升，并在逐步走向工程化實(shí)用［47-52］。

多變量、非線性控制技術(shù)在無人機(jī)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用主要有兩個(gè)方向，分別面向如何使用和如何評(píng)價(jià)的問題。前者更關(guān)注的是多變量、非線性控制技術(shù)如何有效用于無人機(jī)控制對(duì)象，后者［53］側(cè)重基于多變量、非線性的無人機(jī)飛行品質(zhì)評(píng)價(jià)體系建立與評(píng)價(jià)方法研究。

5.5 系統(tǒng)綜合向以控制為核心的一體化綜合發(fā)展

由于系統(tǒng)自身及其應(yīng)用的復(fù)雜性，在無人機(jī)自主控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程中，越來越多地需要以控制為核心，一體化地考慮所涉及的多方面相關(guān)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能力和性能的綜合提升，具體體現(xiàn)在以下典型方向。

5.5.1 導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制一體化

在綜合飛行器管理、航電系統(tǒng)綜合化等技術(shù)發(fā)展趨勢下，導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制一體化是解決無人機(jī)系統(tǒng)面向功能、性能、可靠性等多約束優(yōu)化問題的一種低成本有效手段，已在微小飛行器、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈等小型無人飛行器上得到了廣泛應(yīng)用。柴天佑院士［54］也曾明確指出，導(dǎo)航制導(dǎo)一體化控制系統(tǒng)是運(yùn)載工具自動(dòng)化系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。

導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制一體化系統(tǒng)一般通過采用通用的開放式系統(tǒng)架構(gòu)及模塊化計(jì)算機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算處理能力共享，資源利用率高;同時(shí)可增強(qiáng)系統(tǒng)構(gòu)件、軟件的復(fù)用性，使系統(tǒng)易于升級(jí)和維護(hù)，且降低系統(tǒng)成本;此外，一體化的設(shè)計(jì)減小了系統(tǒng)的體積與質(zhì)量，為任務(wù)設(shè)備騰出更多的有效載荷。

5.5.2 面向先進(jìn)布局的氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、動(dòng)力與控制一體化

一方面，隨著主動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展和隨控布局設(shè)計(jì)思想的應(yīng)用，飛行器的設(shè)計(jì)理念已從被動(dòng)走向主動(dòng)，更多地將氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)和控制進(jìn)行綜合一體化考慮。例如在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，不再以增加結(jié)構(gòu)質(zhì)量為代價(jià)來提高結(jié)構(gòu)剛度，進(jìn)而回避氣動(dòng)彈性問題，而是可以通過在機(jī)翼上布置多個(gè)控制面，通過主動(dòng)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)其聯(lián)合偏轉(zhuǎn)，提高機(jī)翼控制氣流的能力，進(jìn)而主動(dòng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)氣動(dòng)彈性效應(yīng)，從而減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，優(yōu)化飛機(jī)性能。

另一方面，先進(jìn)布局無人機(jī)越來越多地采用各種創(chuàng)新的控制效應(yīng)，包括各種多元、混合、異構(gòu)的控制作用。例如，主動(dòng)氣流控制、射流矢量噴管、靈巧材料變形控制、連續(xù)氣動(dòng)控制面等，這些創(chuàng)新控制作用與常規(guī)氣動(dòng)控制面結(jié)合使用，可以滿足未來新氣動(dòng)布局飛行器的控制性能要求。這些新型控制效應(yīng)的實(shí)現(xiàn)，同樣需要對(duì)氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、動(dòng)力和控制進(jìn)行一體化綜合考慮。

5.5.3 面向不確定性的決策、管理與控制的一體化

基于分層遞階控制的觀點(diǎn)，飛行控制系統(tǒng)的控制功能從底層不斷向高層移動(dòng)，從常規(guī)控制拓展為決策、管理與控制的一體化綜合，對(duì)于有人駕駛飛機(jī)主要體現(xiàn)為智能輔助決策控制功能的實(shí)現(xiàn)，對(duì)于無人機(jī)則體現(xiàn)為具有處理不確定性能力的自主控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

面向飛行和任務(wù)中的不確定性，要求自主控制系統(tǒng)從一體化的角度系統(tǒng)地去設(shè)計(jì)和分析其中的決策、管理與控制各環(huán)節(jié)，系統(tǒng)地考慮決策、管理與控制的體系架構(gòu)、機(jī)制和實(shí)現(xiàn)途徑。需要在滿足決策、組織、協(xié)調(diào)、執(zhí)行的一致性功能要求基礎(chǔ)上，針對(duì)信息、事件和數(shù)據(jù)層階性的多尺度、多分辨率特征，進(jìn)行深入全面的考慮和研究，以便突破全局性、系統(tǒng)性和多目標(biāo)、多約束的設(shè)計(jì)、優(yōu)化、開發(fā)、綜合、試驗(yàn)、驗(yàn)證和評(píng)估等諸多關(guān)鍵性問題

5.5.4 網(wǎng)絡(luò)化信息環(huán)境下控制、計(jì)算與通信的一體化

在網(wǎng)絡(luò)化的信息環(huán)境下，面向任務(wù)的協(xié)同越來越重要，包括有人-無人的協(xié)同和無人智能體之間的協(xié)同。無人機(jī)自主控制系統(tǒng)的控制對(duì)象也從單一的飛行器平臺(tái)對(duì)象拓展為大量互聯(lián)和互操作的異構(gòu)物理與信息系統(tǒng)，因此系統(tǒng)體現(xiàn)出控制、計(jì)算與通信一體化的明顯特征。

分布式計(jì)算、通信與傳感環(huán)境下的飛行器控制系統(tǒng)中，分布的計(jì)算單元基于分布的指令和傳感信息計(jì)算控制規(guī)律，通過分布的執(zhí)行器控制分布的對(duì)象，以達(dá)到系統(tǒng)的控制目標(biāo)，這些分布的活動(dòng)是借助于分布的通信交互聯(lián)系，以及共同的任務(wù)協(xié)同而構(gòu)成一個(gè)完整的大系統(tǒng)。例如，在多無人機(jī)編隊(duì)或者任務(wù)協(xié)同中，通信拓?fù)涞淖兓⑼ㄐ叛舆t的波動(dòng)，都會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)的性能產(chǎn)生明顯的影響，需要結(jié)合控制要求，系統(tǒng)地對(duì)分布式計(jì)算/傳感/通信等環(huán)節(jié)進(jìn)行一體化考慮，從而獲取高品質(zhì)的系統(tǒng)控制功能和性能。

6 結(jié)束語

無人機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展日新月異，相應(yīng)自主控制系統(tǒng)的功能和性能也日益完善和強(qiáng)大，所提供的自主能力水平不斷提升，正在實(shí)現(xiàn)“自動(dòng)”向“自主”的逐步跨越。本文主要基于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，針對(duì)無人機(jī)自主控制系統(tǒng)的基本能力需求、主要功能組成、核心關(guān)鍵技術(shù)、典型特征和未來發(fā)展等主要內(nèi)容，對(duì)相關(guān)研究和認(rèn)識(shí)進(jìn)行了簡要的梳理和論述，以期在工程實(shí)踐中厘清思路，有助于自主控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)相關(guān)工作的開展。限于篇幅和作者有限的認(rèn)識(shí)水平，很多重要內(nèi)容并未展開進(jìn)行論述，尤其是一些關(guān)鍵技術(shù)理論研究、技術(shù)細(xì)節(jié)和實(shí)施途徑等，有待在后續(xù)研究工作中有針對(duì)性地進(jìn)一步梳理與完善。

展望可預(yù)見的未來，從軍事應(yīng)用角度出發(fā)，以認(rèn)知/決策為中心的體系化智能作戰(zhàn)對(duì)無人機(jī)的運(yùn)用及自主控制系統(tǒng)的發(fā)展提出了更高的要求?！白灾飨到y(tǒng)”、“智能化”作為未來無人機(jī)的核心要素體現(xiàn)在美國國防部、美空軍、美陸、北約的眾多重要報(bào)告文獻(xiàn)中。尤其是在“后網(wǎng)絡(luò)化”時(shí)代，認(rèn)知優(yōu)勢和決策優(yōu)勢在作戰(zhàn)中的地位越來越重要，使得美軍近年來在包括無人機(jī)的作戰(zhàn)運(yùn)用中，強(qiáng)調(diào)“認(rèn)知中心戰(zhàn)”、“以決策為中心的馬賽克戰(zhàn)”等新理念。因此，無人機(jī)自主控制系統(tǒng)未來研究與應(yīng)用的重點(diǎn)應(yīng)更多地集中于面向不確定性的智能化“認(rèn)知”和“決策”兩個(gè)主要方向上，需進(jìn)一步面向無人機(jī)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境和承擔(dān)的任務(wù)，開展有的放矢的工程化應(yīng)用研究。

責(zé)任編輯：gt