无人机系统自主控制技术及应用实践分析

雷鸣远

摘   要：在信息科技时代，无人机的使用将越来越普遍，它们能够在实施火力打击时提供精准定位，并且深入危险区域进行科学探查，降低了人员伤亡。目前的无人机系统大多需要人工操控，提升无人机的智能性，实现全自动化控制，将是其发展的必由之路。文章结合该行业现状，进行无人机自主控制技术及应用实践分析。

关键词：无人机系统;自主控制技术;应用实践分析

自控技术是无人机的根本特性，是实现脱离人类手动操控的关键。目前无人机系统的智能化和全自动化尚未实现，控制方式仍然以人类遥控为主，为了提升无人机系统的性能，势必大力发展自主控制技术[1]。

1    无人机系统自主控制技术简介

无人机系统的自主控制技术指通过提升现有的控制技术水平，为无人机植入一定的人工智能程序，使之具有对当前形势的判断能力，能够根据实际形势出某些决策，从而提高其自主性能[2]。在军工方面，主要是使无人机能够自发处理某些突发情况，例如突然的通信中斷，并且使其不受距离限制，能够在超远距离进行侦查和军事打击等作业。在民用方面，则是提升其工作效率、减少人工投入、降低成本。随着无人机数量的增多与市场的扩大，自主控制技术的研究与应用成为必然，全球民用无人机市场规模变化如图1所示。

2    无人机系统的优势

2.1  受天气影响较小

无人机技术以GPS技术作为依托，其最突出的特征便是不受任何天气影响，在进行作业时，可以无视当地的天气变化，无论是雨雪还是雷暴天气，都能够按时完成任务。另外，在人类不方便靠近的地区，例如深山、河流、深林，它也可以畅通无阻地进行查探，为探测工作带来巨大的便利。

2.2  精度较高，数据来源准确

GPS技术最初应用于军方，为之提供精确的目标位置，其精确度是非常高的。近年来，经过了一定的改进与完善，其精度更是大大提升，目前无人机多采用GPS技术进行定位，可在50 km以内将误差控制在6～10 m，而100～500 km范围内的误差也不会超过10 m。在进行短距离测绘时，其精度更是能够达到毫米甚至更精确级别，远远超出人力所能达到的范畴。

2.3  全天候工作

人工测绘的主体是人类，而人类精力有限，当连续专注地进行几个小时测绘工作时，工作状态便会严重下滑，容易出现误差。采用无人机技术则可以实现全天候作业，24 h不停工作，只需几名监测人员轮流对数据进行接收和记录即可[3]。

2.4  设备体积小，自主性高

目前无人机设备的体积不断在缩小，携带十分方便，军用无人机的体积也在逐渐缩小，并且许多设备智能化程度较高、操作简便、便于掌握，拥有很高的自主工作性，操作人员只需进行简单的操控，省时、省力，应用无人机技术后，对于从业人员专业素质的要求会有相应程度的降低[4]。

2.5  隐蔽性好

军用无人机隐蔽性很强，不容易被雷达等发现，将其用于战场侦察可以快速获取情报信息，而且不容易引起敌方注意，因为不用考虑驾驶员问题，它的体积可以缩小许多，结构精巧，更加便于隐藏。

3    无人机系统自主控制技术的应用

3.1  地质勘测

在进行城市的水利工程规划、建筑设施规划、铺就公路之前，都需要建立城市的整体或局部地形图，人工绘图效率低下、准确度低，在稍有疏漏便可能产生极大安全隐患的水利工程中，人工绘图的误差是致命的。因此，应当采用无人机技术进行勘测，再将所获得的数据通过计算机软件加以整合和处理，最终绘制出完整的地形图。另外，它可以和建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术结合，最终呈现城市地形图的3D化可视模型。在一些复杂工程中，平面图已经满足不了施工的需要，采用无人机技术获得精准的数据后，再应用BIM技术绘制城市的立体地形图，可以为城市规划建设提供极大的便利。自动控制技术可以使无人机自行完成某一区域的全部勘测工作，并分类传回数据，省去人工操控的时间，并且很少出现失误。

3.2  信息对抗

由于无人机的特性，其可以在恶劣环境中起飞，并对光电信息可以实施对抗活动。自主控制技术的应用可以使无人机具备判断通信设备种类的功能和评估重要性的能力，自主寻找敌方重要侦查基地并实行信息阻隔，扰乱对方的指挥系统，阻断侦查能力，为己方抢得先机。在信息时代，往往几分钟就能改变战局，自主控制技术恰恰可以让无人机抢得关键时间，帮助己方获胜。

3.3  军事打击

应用无人机的自主控制技术可以使无人机自动寻找和锁定重要军事目标，并自发进行信息反馈。作战无人机携带有不同种类的作战单元，可以在发现目标后第一时间做出判断并实施军事打击，不会因来回传播信息和命令延误战机，可以大大提升部队的作战能力。战术无人机在某些特定环境下可以直接作为导弹的替代品，用于摧毁敌方雷达和重要通信设备，以及直接切断对方通信联系等，对其指挥系统造成严重干扰。另外，军用小型无人机大多造价低廉，可用作自杀式袭击的道具，自控技术可以使其自主判断当前战局形势，从而决定是否发起攻击。大型无人机则可以实现全球快速打击，可代替巡航机，一旦发现可疑目标，在警告无果后自动发起攻击，防止其在短时间内达到侦测等目的。

3.4  环境监测

在我国经济组成中，第二产业仍然占据很高的比重，尤其是各种重工业，会产生对环境有严重污染的废弃物，处理这些产物将大大增加企业的生产成本，因此许多企业选择在半夜偷偷排放有毒物质和进行其他非法活动，人工监测成本极高，并且难度大。自动控制的无人机可以对大气或者水源中的污染物质含量进行检测，并能够自动判定风向和水流方向，寻找其源头、获取证据，从而有效减少此类现象的发生。

3.5  生态环境保护和野生动物研究

在进行经济建设的同时，必须注重对环境的保护，决不能本末倒置、罔顾生态。实际上，在人类聚居地的建设过程中，对于周围生物生存环境的影响是无法避免的，而采用无人机技术可以将影响降到最低。具体操作：先投放应用同位素进行标记的食物，附近动物食用后则会被标记，然后，可应用无人机进行自动追踪，在不惊扰野生动物的前提下确认其位置，经过一段时间的观察后，可大致确定不同动物种群的活动范围。在进行城市规划时，尽量避开动物聚集区域，或是将该地区的树木等进行移植，让动物随之迁徙，而在进行旅游地划分时也可尽量避免破坏野生动物聚居区。同样地，拥有自动控制功能的无人机可以对野生动物进行自动跟拍，这对于生物学家研究生物的栖息环境和习惯等具有十分重要的意义。

3.6  摄影

在体育领域，某些极限运动很难做到跟拍摄影，例如蹦极、滑雪等，而利用无人机可以全程跟拍，并自动调整焦距、拍摄角度等，获取珍贵的视频和照片。另外，在某些大型活动中，例如婚礼、阅兵等，采用无人机系统可以方便地记录整个过程。

4    无人机系统自主控制技术发展要点

4.1  扩频通信技术

由于无人机采用的微波通信技术的普及，空气中各种频段的电磁波泛滥，障碍物也较多，波具有干涉和衍射的性质，同频段的电磁波之间也会进行干涉和叠加，干扰现象十分严重。因此无人机需要在干扰较强时自主采用扩频技术，有效减少和防止干扰，提升通信质量，如此一来，无论是军用还是民用都能得到极大的便利。

4.2  不确定环境下多台无人机的协调工作

在许多复杂的作战环境下，操作人员会与无人机失去联系，此时就需要无人机根据当前形势自主决定撤退或是继续工作，但单个无人机所能获取的信息有限，因此做出的分析可能较为片面。若能实现多台无人机协调工作和信息共享，则能够较为全面地了解环境，从而做出最为准确的判断。此外，在民用方面，某些大型活动的记录工作往往由多台无人机进行跟拍，若是它们能够协同工作，可以减少重复拍摄的情况，提升所得数据的有效性。

5    结语

自主控制技术对于无人机的发展而言，具有无与伦比的意义，提升无人机系统的智能化和自主性是科技发展的必然追求。本文分析了自主控制技术在无人机系统中的应用与能够带来的收益，并对其未来发展提出设想。

[参考文献]

[1]任广山，常晶，陈为胜.无人机系统智能自主控制技术发展现状与展望[J].控制与信息技术，2018（6）：7-13.

[2]谢豇宇，金印.无人机系统自主控制的关键技术分析[J].中国新通信，2018（12）：79-80.

[3]黃波，詹金棍，谢林峰，等.无人机系统自主控制技术及应用实践分析[J].科技资讯，2018（3）：65-66.

[4]李栋，李明，高启坤.浅析无人机系统自主控制的关键技术[J].中国军转民，2016（12）：41-43.