AIR 042 | 中国工程院院士樊邦奎:当无人机遇到人工智能

2016-08-14 10:31:14     作者:恒亮      来源:雷锋网

一个少将眼中的无人机和人工智能。

13号下午,CCF-GAIR大会迎来“机器人与无人机专场”的第五场演讲,中国工程院院士,中国人民解放军专业技术少将,美国高级访问学者,博士后导师,国内勘察无人机和无人机作战领域底层技术专家和奠基人,樊邦奎教授为我们带来了题为《无人机与人工智能初探》的主题演讲。

樊邦奎教授首先回顾了无人机自动化的发展历程,然后分析了无人机对人工智能技术的各种需求,最后针对无人机+人工智能相互结合的未来进行了展望。

樊邦奎教授表示,无人机自动化经历了如下3个发展阶段:

1.以陀螺仪控制和基础雷达导航为技术核心的手动控制时代;

2.以惯性导航系统控制和地面无线电定位系统为技术核心的半自动控制时代;

3.最后到达了今天的以卫星/惯性组合方式实现自我导航,利用专用数据链遥控和跟踪定位,可实时修改空中航线的自动化无人机时代。

虽然我们已经迎来了无人机自动化时代,但是樊邦奎教授认为:无人机的核心是控制系统,自动化的确解决了无人机的自动控制问题,但是对于使用者更有意义的任务自主化问题却没有提供帮助,而这一点正是无人机需要人工智能的原因。

对于无人机对人工智能的需求点,樊邦奎教授认为主要分为如下3个部分:

1.智能飞行。其中包括了感知与规避,灵活容错,目标跟踪,路径规划等具体功能,涉及到的技术关键在于飞行时的智能控制、空域的灵活整合和完备的环境适应。

2.智能协同。其中包括了执行任务协同和位置共享等具体功能,涉及到协同指挥控制、协同态势生成与评估,协同语意交互等技术关键点。

3.智能任务。即无人机可以自主判断下一步需要做什么,然后自己给自己下达命令。其中涉及的关键技术包括语音、文字和图像的模式识别控制,人工神经网络的神经控制和模糊集合的模糊控制等技术关键。

关于无人机+人工智能的未来,樊邦奎教授表示:从前是有人机的时代,今天是无人机和有人机相互协作互补的时代,而未来,将会是属于无人机的时代。更具体地讲,无人机将从以下3个方面影响我们的未来:

1.智能化无人机将改变人们的生活方式,例如无人机送快递等。

2.智能化无人机将改变产业模式,例如自动化无人机工业生产等。

3.智能化无人机将改变未来的战争形式,例如美国的死神号和捕食者号等无人侦查机和轰炸机。

最后,樊邦奎教授说:“未来将是一个家家都有机器人,人人都有无人机的时代”,而我们也注定将与这些智能化产品共存。

以下是演讲实录:

尊敬的各位嘉宾,下午好。非常高兴,也非常荣幸来到协会组织的峰会。首先,感谢高院士给我这个机会来汇报一下关于无人机与人工智能的发展情况。其实我对人工智能是个小学生的程度,但是感觉到人工智能将会对无人机的发展起到至关重要的作用,可以说是列为颠覆性技术之首。我这个花甲之年也向年轻人学习,赶一个时髦,今天也来谈一谈人工智能。接下来从三个方面进行汇报。第一,简单回顾一下无人机在自动化过程中的发展历程;第二,谈一谈无人机对人工智能的技术需求;第三,谈一谈无人机一旦有了人工智能,将会对未来的社会产生什么样的影响。

无人机是由动力驱动,机上无人驾驶,可以重复使用的飞行器简称,“可重复使用”,它和导弹及其他的设备就区别开了。什么是无人机系统,是平台、载荷、数据链,信息处理设备,综合保障设备,是通过控制来执行飞行系统的。机器人的本质就是机器,包含三个要素,一是传感器,也就是探测,感知。第二是处理,所谓的人工智能;第三,根据各种环境和感知作出对环境的改变,也就是经常讲的执行。无人机也具备了这三个要素,因此无人机也称之为空中机器人,讲无人机,它其实也是机器人的一类。在近年机器人家族中,无人机是最火爆的,技术最先进的,是普及率最高的机器人。

无人机自动化的发展历程,无人机是机上无人驾驶,主要是通过地面操控,过去是用人来操纵飞行的,因此控制技术就是核心关键。那么,人类在无人机发展过程中经历了手动控制,半自动控制和全自动控制,下一步将是智能控制。简单回顾一下手动控制阶段,以前采用简单的陀螺仪来控制飞行器的稳定性,这是最早的时候斯佩在演示陀螺原理利用在第一家无人机上,是用电子管制造的无线电收发信息接受遥测指令,同时把遥控指令发上去。早期的电子无线电,通过地面的雷达跟踪飞机的运行情况进行反馈从而控制无人机飞行,它不能做航迹规划,大多数都是用于做靶机的。

随着信息技术的快速发展,半自动控制出现了,采用陀螺导航系统来控制飞行器的稳定性,有各种陀螺。但现在发展的陀螺更多了,有光纤的,有激光脱落。通过地面的无线电收信息接受遥控指令,通过地面无线电系统确认无人机位置,能够地面规划航展,但不能空中修改开始执行军事任务,1982年的贝卡谷地战役中,这是无人机在战场上使用的一个典型经历,也是控制技术在这里面起了很重要的作用。在越南战斗当中,美国出动了“火风”无人机,一共飞行了3435架次,获取了80%的空中侦查照片。

最后进行了我们现在的阶段,或者是稍早一点全自动时代。采用微信和惯性组合导航进行定位,就自主定位。以前很多定位是通过外定位,现在有了卫星导航以后,就能自主定位了。利用专用的数据链进行遥控遥测,跟踪定位和信息传输。这是捕食者无人机数据链,很复杂,有C部端的电波,还有应急的特高段电波等等,这样的话就得到很大的发展。这个时候就能实时规划航线,用CPU、DSP等全数字化控制系统。这是美国的X-47B,是在伏特计航母上配套使用的无人机,可以在航母上实现自动起降。右边就是大家经常听说的美国的“死神”无人机,现在的操作完全可以做到全自动进行起降。加上各种设备执行各种任务,这里就不详说。

再简单的说一下,1991年的时候,海湾战争,第一次实时传输性无人机战争,1999年科索沃战争,SAR侦查无人机首次应用,2001年阿富汗战斗和03年伊拉克战争,察打无人机投入使用,03年到现在,美国全球反恐战斗,察打无人机。这是美国的超高速无人机,另一个是大飞机带上去的,实行分群作战。

无人机的核心是控制,其自动化的发展主要是解决了飞行自动控制,还没有解决任务自主的问题。这就需要人工智能来解决,后面我在第二个问题来汇报这个问题。我认为,人工智能技术将是无人机下一阶段发展的颠覆性技术之首。我们搞无人机的,现在也很关注人工智能。

无人机对人工智能的需求。无人机系统的智能化和其他的有相同之处,也有不同之处。我认为,无人机的智能化要做到三个方面,第一个是智能飞行,第二个是智能协同,第三个是智能任务。智能飞行是基础,智能协同是实现我们智能任务的途径。最后,要达成智能任务的这个目标。

什么是智能飞行?我用一个简单的动画来解释,无人机快速下降,敏捷的机动,怎么飞都行。规避障碍,能进行到社区,然后转换状态,从室内到室外。这个时候就需要有各种任务来完成,智能飞行的特点有这么几个。

要具有感知和规避的能力,这上面有很多手段,可以用LAB,也可以用微波的雷达,也可以用光电,这几天大家都介绍了。这是智能的感知和规避,这是智能的基础。目前我们国内做的一款无人机,它能够贴壁定距飞行,在大桥下面进行检测飞行。二,要灵活容错,在飞行的过程中,掉了一个翅膀,或者是机翼损坏,缺少一个翅膀照样也能飞行,这叫容错。三,跟踪。这是最基本的,在飞行的过程中能跟踪任何一个目标,需要目标识别,包括跟踪技术。这个地方要做不同的跟踪,技术是不一样的。四,路径规划。这个我是用一个“鸟”,这个鸟叫“精鸟”,它自己能保证周围七个定距飞行,将来单个无人机的规划,一定要能做到随机来做。而且我后面讲协同的时候,需要各个协同的动作能像鸟一样进行随机的规划。

对于智能飞行,人的大脑和小脑都在运行,无人机从飞行稳定到导航控制,都需要。实现智能飞行关键技术,智能感知和规避,侦察、探测、通信,传感器,智能路径规划,这里面用的都是人工智能比较流行的算法。基于神经网络各个节点上的反馈数据,用遗传算法解决,在座的各位都是专家,我只是了解一点皮毛,也是班门弄斧。智能飞行技术,要有鲁棒性,开放性,自主决策,智能学习的组合。空域组合,空域也要智能化,这些才能适应无人机的快速发展。如果无人机产业化以后,无人机的航管像现在的航管,肯定是支撑不了的,空域的智能化也是必然的。智能飞行器,仿生飞行器,旋翼,固定机符合式飞机,变体飞行器,跨介质飞行器。飞行器本身的布局也需要智能化来解决,所有这些东西构成了智能飞行的基础。

智能协同。一是执行任务时协同能力;利用共享跨领域UAS传感器传输信息。美军海军要搞无人机分群,这里面的关键技术涉及到协同指挥控制。大动态、自组网通讯技术,控制飞行,任务规划和目标分配技术。协同态势生成语评估,也是在智能协同里面所需要解决的。它是智能协同非常重要的。协同路径规划,在前面单个规划的基础上还要协同规划。协同语义交互,大家都知道,将来的协同,无人机和无人机之间协同,无人机和有人机之间协同,无人机和其他无人系统之间也要协同,包括地面的控制系统。自然语言的机器理解真正使语义来交互。

智能任务。这是美军实战现在无人机飞行能跟踪一个目标。但是,无人机自己做不到发现目标,给自己下达命令。美国参联会副主席指出,如今,无人机操作手坐在那里,连续几个小时盯着死亡电视,试图寻找目标或是看到某些东西在动或以确定它是一个目标,这是人力资源的浪费,是低效的。真正的最后,无人机要做到智能任务,也就是任务要由自己来判断,要改变无人机的体系结构,现在的体系结构是地面战做中心,有很多人在操作,下一步,它的中心就要直接移到机上去,真正做到全自主的执行任务,这是终极目标。未来的战斗将是机器战争,就是机器与机器之间打,就需要这个任务必须是智能的。电影《绝密飞行》中,它怎么做智能任务?空中加油,不让它进去,这个时候机器智能了,就能加上油,还把探头打掉。这个任务就是智能的完成了,不需要人去操作就知道怎么执行。这个地方所需要的,模式识别(语音、文字、图象)的学习控制,模式识别就是对图象识别,对人来讲,大家一眼就看出来,再怎么变化,都是苹果。但是要让机器来分析,就难了。将来在无人机发展过程中,如果能把语音、图象、文字这些东西都能够识别,对无人机控制来讲是非常重要的。第二个是人工神经网络的控制。看到这些画面都可以通过人工神经网络来产生控制型号。专家系统,规则控制。和专家系统结合起来,将来智能任务的时候,作为无人机来讲,尽管智能机器的深度学习非常重要,但是对于专家系统也很重要,它必须要并程起来才能实现智能任务。模糊集合的模糊控制。

对未来的展望。无人机一旦有了人工智能这个突破性的技术植入,它将会对无人机发展带来什么样的影响?空中飞行器的发展规律,过去有人机一统天下,我们现在的时代,无人机是有人机的重要补充;下一步,无人机与有人机相互协同依存;再往下走,有人机是无人机的重要补充,最后的阶段,一定是无人机一统天下。

既然无人机将一统天下,智能无人机将改变生活方式。用无人机送水,这是初级的。将来要做到什么地步呢?假如说库马教授喜欢喝茶,另一个人喜欢喝咖啡,这个时候大数据就起作用了,适配之后可以任意陪送过去,就可以适应机器服务。无人机的智能化带来的为人服务的转型。这个是无人机爸爸,他的小孩要坚持自主去上学,但是他爸又不放心,怎么办呢?就给他带了一个无人机紧跟着他,现在还是机器的。下一步怎么办呢?这个小孩无论在大街上怎么走,这个无人机就可以跟着他走,能识别出来是他,而且还能跟他保持特定的距离,家长的手机上任何时候都可以看到他的孩子的状态。比如说,现在担心小孩外出被拐卖,放个无人机跟踪就可以解决。这是举例子。

人工智能将使人“换个角度看世界”,现在大型的比赛都是无人机在上面做实时转播。这个像鸭蛋一样的无人机,打开随时可以飞行。智能无人机将改变产业模式,无人机将变身快递小哥,这个时代马上就要到来。目前,除了传统搞飞机的行业研究无人机,大家可以统计一下,现在世界上搞信息、互联网的,哪一家不在涉足无人机?有任何一家国际的,包括国内的大公司,搞信息的,不涉及无人机吗?目前来讲,无人机也是机器人未来的发展,如果不在这个领域涉足的话,怎么好说呢?最近单位在北京后场村路最近火了一把,对面就是软件园的一期、二期,这个后场村路非常有名,有名的搞信息的都在这个软件园,一问,如果不在这里落户,都不好意思说是搞互联网的。后来很多年以后,公司不搞无人机的怎么搞信息技术。今年的3月25日,美国把内华达州的一个市列为第一个无人机快递服务城市试点,随着低空放开,这一块业务肯定会发展。

假如房子都是结构化的,将来无人机不能盖房子吗?智能无人机将改变战争形式,这也是奥巴马的军事顾问辛格说的,无人机为代表的机器战争将改变五千年的战争形式。无人机的出现使得战略和战术的界限越来越模糊了,就出现了战略下士和战略士兵,战略下士只会战役行动,会调动很大的系统来打击这个目标。反过来,一个上将、中将,可以对一个很小的作战分队进行指挥。前方和后边呈现一体,这是美国阿富汗战争和伊拉克战争使用无人机的情况,真正的控制站是在美国内华达州的基地,是通过卫星任务实现遥控战争。

智能化将使分群作战成为可能。美军现在都在研究分群作战,这是将来无人机发展,尤其是智能技术在这个行业的关键。无人机角色的变化,由配角到主角。从阿富汗基地组织,一半以上是被无人机消灭的。9-12年用无人机发射的导弹超过了1300多枚。美军11年的操作次数超过了有人机,12年无人机采购数量超过了以往。战争形式发生改变,没有任何先知导弹就打下来。阿富汗的领导人说,美军的坦克、装甲部队根本不算什么事,真正害怕的还是无人机,但同时又嘲笑美军是不敢露面的胆小鬼。这个时候,无人机的出现就会使人作战的心理产生了变化。

家家都有机器人,人人都有无人机的时代即将到来。各位,准备好了吗?谢谢!

主持人:谢谢樊院士,因为樊院士非常谦虚,他说他在赶时髦,这些时髦都像樊院士这样的国家顶级专家创造的。刚才讲的时候无人机也是做服务的,服务的话肯定有人机交互的部分,人机交互,三维传感期对人机交互的重要性是怎么样的?

樊邦奎:三维传感器跟我前面讲的无人机的三要素是紧密在一起的,第一要素就是传感,没有数据、语言,怎么能做智能,最后怎么做行动呢。这是第一要素,必须要具备的。

主持人:再次感谢樊院士。

樊邦奎:今天很激动,鲁迅先生曾经说过一句话,无端的浪费别人时间就等于谋财害命,今天这么多的人工智能,包括机器人大脑,占用大家这么长时间,非常的抱歉,谢谢。

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