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1、III无人机人机协作控制权限分配方法研究学 生：戴鹏博指导教师：周 锐摘要随着技术的不断发展，复杂建模和决策算法都得到了长足的进步，这两种进步的进步又推动了无人机指挥控制系统的发展，使其更加完善，决策更加智能，但是部分问题依旧存在耗时长、难处理的情况，而目前启发式的方法并不能提供满意解，在这种情况下，就需要人、机分别完成不同的决策功能，以适当的自动化等级来实现决策过程，可以充分结合人的和自动化系统各自的优势。本文将从人机能力优势比较，系统自动化等级划分，决策分配原则和评估准则，决策分配方法步骤等无人机人机协作控制分配相关问题进行研究，在决策分配过程中主要采用ULMADM(Uncertain L
2、inguistic Multiple Attribute Decision Making)方法进行不确定信息的集结和处理，进而计算得出对应的自动化等级。关键词：自动化等级，无人机决策分配，人机协同，ULMADMResearch on Control Rights Allocation Method for UAV Man-Machine Cooperative ControlAuthor:DAI Peng-boTutor:ZHOU RuiAbstractWith the rapid development of global science and technology, the progre
3、ss of decision-making algorithm and the development of complex modeling technology have promoted the optimization of decision-making function of UAV command and control system in varying degrees. However, some problems are still time-consuming and difficult to deal with. At present, meanwhile, heuri
4、stic methods can not provide satisfactory solutions. In this case, people and machines are required to complete different decision-making functions with appropriate automation levels. It can fully combine the advantages of human and automation systems. In this paper, the relative problems of UAV man
5、-machine cooperative control allocation, such as the comparison of human capability advantages, the classification of system automation levels, the principles and evaluation criteria of decision-making allocation, the method and steps of decision-making allocation, willbe studied. In the process of
6、decision allocation, ULMADM method is mainly used to aggregate and process uncertain information, and then calculate the corresponding automation level.Key words：Automation level,UAV Decision Allocation,Man-machine cooperation,ULMADM摘要IAbstractII1 绪论11.1研究背景及目的11.2研究意义21.3国内外研究现状31.4研究内容82 权限分配方法研究9
7、2.1人机能力优势比较92.2分配原则研究122.3权限分配评估准则182.4自动化等级确定222.5基于UEWAA算子和ULHA算子的多属性决策方法223 算法的实现与算例263.1算法的MATLAB实现263.2 控制权限的动态分配293.3权限动态分配仿真30总结33致谢34参考文献35第 37 页1 绪论1.1研究背景及目的非传统作战飞机日前已成为各国军事手段中的重要力量，自从20世纪初期无人机在第一次世界大战中产生开始，军事无人机发展演变速度很快，从一开始的无人靶机经历了一百多年的洗礼后，到如今的多用途的无人机，目前先进的无人机采用复合控制系统。在军用级别的装备市场中，无人机飞行速度
8、和可靠性的要求其实要远远超过商用无人机，也正是由于对于性能的严苛要求，才有技术的不断进步，除此之外由于无人机速度快、高度大，操作人员的操作难度也相应提升，为了减轻人类负担，更加智能化的无人机应运而生。在改革开放以来，我国进入了经济发展的高峰期，各种技术，像计算机、自动化等的进步速度也到达了顶峰，无人机系统的智能化程度一直在上升，可以自行独立进行的任务自然越来越多，其中包括数据信息的可视化、简单重复性决策、飞行数据的存储和管理、精确航迹规划和控制等，不过仍然不可避免的有出题出现。现在自动化技术在生产生活中应用的范围越来越广，这在降低人力成本提高生产效率上确实起到了举足轻重的作用，不过同时也许会造
9、成人的感知水平下降1等问题；同时，即便是在运算方面，人永远也达不到计算机的水平，并在一些精确和平稳控制问题的处理上远超人类，但也不是总能为所有问题提供满意解。人类对于行为目的和后果的把控、对于整体环境的宏观感知和评估、对陌生事物的概念化能力、感性抽象能力和创造性和灵活性等方面更具优势。面对上述问题，如若将指挥控制系统部分决策功能进行拆分划分，将其按照人与计算机的不同特点来进行分配，同时设定一定的自动化等级，对所有的决策划分自动化等级，将人加入到系统的闭环回路中进行决策，人在决策中的优势在于经验性强、直觉性高等，而计算机的优势在于反应迅捷、不容易出错等，若是可以将其优点结合起来，使其互相补充，协
10、同决策，最后产生的决策结果一般会优于其任一方单独决策。这就是所谓的决策分配。功能分配(function allocation. FA)包括有决策分配(decision allocation. DA)，在设计无人机智能控制系统的时候，这也是一个优先级高、重要性强的绕不过去的问题2。在有人机/UCAV协同作战方面，功能分配的主要研究内容就是研究如何将决策功能在指挥员和无人机之间进行分配。为了将其分配的更加协调，这里通过系统分析，在开始作战之前的准备时期，以作战任务为出发点，分析功能分配需要满足的目标，然后在这个基础上，结合已有的技术能力，对人和无人机分别能够达到的要求进行深入细致而且充分的分析研究
11、。然后结合分析结果提出提出功能分配的初步计划以及具体的实现步骤，将人和机器的功能完美的结合在一起，使人的经验以及判断能力和计算机的运算能力得到最大化的融合和发挥，两者共同决策、密切配合，产生一加一大于二的效果。1.2研究意义好的决策系统对于人机协作来的影响无疑是巨大的，人天生所具备的创造力加上后期经验带来的推理能力倘若能与自动化系统的高反应、低延时、快计算等能力有机的结合在一起，会极大地激发人机系统的工作能力，带来更低的功耗、更强的生存能力、更强的作战能力、更强的续航能力。对于单无人机系统，能极大的减轻操作员的工作负荷，让操作员将更多的精力放在更加重要的问题上，同时又保留有一定的决策权限，降低
12、态势感知能力下降带来的负面影响，降低其工作疲劳与失误操作。不仅如此，较好的决策系统能节省自动化系统的计算存储资源，提高资源转换利用效率，降低出错概率，还能够充分发挥无人机的作战优势，一边能够使作战人员更好的把握战机，进而更加高效地完成作战任务。对于少量人员操作大数量的无人机群而言，好的决策系统意义更加重大，这也是无人机未来发展的主要方向。不能将人和机器的配合简单的认为仅仅是空中作战平台的互相配合，而要清楚的明白，这是无人控制系统和有人控制系统在控制系统层面的相互配合，是在高层面上看到的控制系统的深度交融。若是拥有两种系统的飞机结合起来共同作战的话，以下任务将成为重中之重：协同态势感知、协同指挥
13、决策、协同火力打击及实时毁伤评估，具备这些特点后，系统将能够完成从传感器到战斗部的空中一体化作战行动。两相结合共同作战具备下述优点：(1) 作战水平得到极大的提升。空中数据链系统的建立能够为有人机和无人机提供组网，有人机具备较强的信息获取能力，所以可作为指挥控制中心发号施令，在对战场情况进行实时的监察和评估的同时还能够接收到海陆空各方的态势信息，自主控制无人机群；无人机由于具有体积小、机动性强等优势，能够不知不觉的接近敌方目标，深入其内部区域，这就无形中将侦查距离延伸到了地方后部，提高了远程攻击的有效性，使得战斗可以波及更远的范围。(2) 作战编队效率提高。第一时间进入战场的不再是侦察机，而是
14、无人机。这能够帮助地面基站人员提前将战场态势把握住，在一定的指挥结构下，两种飞机能够迅速编队，并为对方提供必要的火力支援、信息补充、决策帮助等，这在一定程度上能够降低我方反应延时，在最短时间内完成打击任务。(3)编队生存能力增加。无人机能够执行特殊任务，避免战斗人员的损失。在无人机和有人机群编队状态下，能够通过特殊的防御编队，提高机群的防御能力，以部分无人机损失为代价，保存有人机作战能力3。除此之外，协同电子对抗等也成为战场中的有力手段。1.3国内外研究现状目前,对于有人/无人机协同作战,国内外已开展大量研究工作。美军空军曾经在2004的时候提出过一个软件使能控制项目，在其中，人对无人机的控制
15、是通过语音命令来完成的，在发生紧急状况的时候语音语音控制能够以最快的速度对危险做出反应；在2001的时候，美军陆军进行过无人控制和有人控制系统两者结合的综合项目，其研究成果在不同层面证实了地面控制站以及部队和直升机平台三者的协同能力；美军海军还提出了一种设想，在将来，以固定的人机编队的形式，以运输机、强击机等有人机来指挥无人机。我国在这一方面的研究现在主要是在理论方面，在实践方面还没有大规模的应用，其现有的研究方向有体系结构、决策分配等等。现在对于两者的协同作战，全世界范围内都没有形成成熟的理论以及实践模式，都在积极的探索研究当中，已有的探索研究在试验验证和算法设计方面进行的想多更多，而在系统
16、的发展方面还比较小，比方说其综合优势、体系结构等等。在研究人机功能分配问题时,现在在世界上比较有名的几种分配方式包括：人机能力比较分配法、Price决策图法、Sheffield法、自动化分类与等级设计法、York法等。1.3.1混合主动控制目前关于有人机/UCAV编队指挥控制系统的研究中,美国DARPA主持的自治编队混合主动控制是一种比较吸睛的控制系统4。所谓混合主动控制(Mixed Initiative Control),就是人类指挥员和智能决策系统的协同控制。该工程的主要目标是通过提高UCAV的自主控制和协同控制能力,使操作员在处理当前任务的同时(如驾驶自身所在有人机),实现对大规模UCAV编队的指挥控制。现在的无人机的数量通常都是有人机数量的三分之一到二分之一，在MICA之中，将会将
