未来战术利器：微型智能无人机

天际线

摘要：无人机在战术战场上发挥着越来越重要的作用。除了携带武器的大型无人机和地面无人车辆（UxVs）以外，微型便携式无人机现在也被用于情报、监视和侦察（ISR）任务。随着能够帮助对抗物理和电磁威胁的机载人工智能（AI）与无人机相结合，人机协同作战已逐渐成为现实。
关键词：微型无人机，人工智能，机器学习，机载设备

战术无人机系统（UASs）必须在对抗的环境中工作，并且必须在没有GPS的情况下探测和规避威胁。幸运的是，人工智能硬件和软件的进步使更小、更智能的纳米无人机成为可能。紧凑型人工智能技术（Compact AI technology）和支持软件使纳米无人机以及更大的无人机（无人机和地面飞行器）能够在安全的防区外距离工作，规避战场上的多种威胁。该人工智能系统能够在每次任务中自主学习，并互相分享这些学习成果，从而创建更高效、更强大的平台。人工智能无人机和地面无人车辆也适用于许多非军事应用，能够为急救人员、警察和消防专业人员提供支持，同时降低这类工作人员的自身风险。
纳米无人机可携带的有效载荷较小，但这并不会牺牲其关键的战术能力，例如，通过无人设备上传处理后的传感器数据的能力。通过人工智能和机器学习（ML）实现的实时视频对象检测，不会因为机身较小而受到影响。在执行情报、监视和侦察（ISR）任务的过程中，如果情报能够提供优势，那么获得尽可能多的前线人工智能能力将十分有用，并且可能决定一次行动的成败。
即使是微型无人机，如果配备了能够运行高级人工智能和机器学习算法的强大人工智能中央处理器（CPU），也可以在恶劣的作战环境中充当极其灵敏的探测器进行侦查。强大的人工智能和机器学习处理能力能够同时分析多个视频输入和传感器输入，例如其能够通过将其与存储在本地计算机存储器中的已知参考样本进行比较，以处理存在潜在危险的化学烟雾或未知物体的可见热成像图分类。
微型无人机已经应用于秘密ISR、电子战等战术行动之中，通用部件的运用简化了微型无人机的部署。在对抗的作战环境中，人工智能使其能够在GPS卫星信号被干扰或不可用的情况下获得导航支持。纳米人工智能无人机现在可以在建筑物内和室外实现可靠运行。在一座建筑内，这些小型飞行器要在没有GPS支持的情况下面对未知和非结构化环境、多重威胁以及反射和干扰导致的复杂通信的挑战。微型无人机所携带的全套传感器套件，包括光学、热成像仪以及机载机器视觉（MV）软件，可以在未知建筑中为无人机提供可靠的无人驾驶导航，同时为其他人提供实时地图绘制。微型无人机利用多个传感器和人工智能算法的辅助，使用同步定位和地图绘制（SLAM）等技术，构建地图，同时在地图中定位自己。地图绘制算法使微型无人机能够绘制出未知环境的地图，并执行路径规划和避规障碍等任务。


尺寸不断缩小的无人机系统

多年来，军用无人机一直在向可由一名士兵携带的小型电动无人机系统的方向发展。除了使用着陆带的固定翼无人机外，可折叠的便携式旋翼无人机也已完成研发工作，可用于执行运输任务。现代垂直起降（VTOL）飞机不需要跑道进行起飞或降落，垂直起降飞机包括旋翼飞机、固定翼飞机和两种飞机结构的混合组合。
战术人工智能便携式垂直起降小型无人机通常被称为纳米无人机，目前可用于执行室内监视、室外监视和ISR任务。有效载荷电子设备的小型化使纳米无人机能够在没有探测的情况下执行专门的战术感知任务。它们在建筑物、密闭区域和户外城市环境中执行秘密任务时，所展现的视觉和音频特征几乎无法察觉。根据任务的不同，纳米无人机的有效载荷能力能够与用于执行类似任务的大型无人机的有效载荷能力相匹配，但从硬件上看，其尺寸比大型无人机尺寸小很多。目前，技术人员已将微型无人机及其地面控制系统（GCS）设计成适合装在裤子口袋中的小盒子，这些盒子可以由标准全地形战术车或徒步士兵运送到战场（或感兴趣的领域）。
当微型无人机携带战术有效载荷飞行到作战空间或任何类型的有争议空域时，其必须实现所有战术无人机所必需的功能，例如无人机与地面控制系统和授权接收方的传感器数据实时通信。无人机和地面无人车辆现在可以由紧凑型地面控制系统控制，例如随身携带的终端用户设备或多用户指挥系统；在任何情况下，无人机和地面无人车辆希望获得可靠、即时信息的需求是至关重要的。
不同的无人设备可能会有不同的操作条件，但大多数无人机和地面无人车辆必须通过机载摄像头和其他传感器进行无线视频和数据通信。要使无人机和地面无人车辆操作员和部队有效地规避危险，通信延迟至关重要。操作员与无人机保持在几米到10公里（6.2英里）以上的距离可保证操作员的安全。纳米无人机的续航能力取决于任务的性质、人工智能载荷和机载电子设备的数量。在小型无人机和纳米无人机系统中，最大限度地减少所有机载组件的尺寸、重量和功率（SWaP）尤为关键，因为机载组件会限制无人机有效载荷组件的大小、功耗和性能。例如，作为飞行导航的一部分，防撞可以通过人工智能驱动的飞行时间（TOF）相机、光探测和激光雷达以及声纳系统来实现。为了对抗敌方无人机，用于探测和识别的图像分辨率必须具有足够高，以区分敌我的无人机。
有了足够的机载计算机处理能力，人工智能无人机可以将探测到的物体的图像与已知参考样本进行比较。如果需要，人工智能无人机可以在无人机群中协调它们之间的运动，以达到目的。模块化开放系统方法（MOSA）的使用简化了无人机的互操作性，而通用接口使有效载荷能够在广泛的无人机平台上使用。
在恶劣的射频环境中，强大的网络能力对于人工智能无人机和无人地面车辆能够相互协调并与依赖它的部队共享实时视频和数据至关重要。无线电电子设备的小型化使移动自组织网络（MANET）通信系统能够集成在纳米无人机上，扩大了网络“云”的“边缘”。“软件无线电（SDR）技术为无人机提供了无线电通信灵活性，以适应干扰和不断变化的通信环境。再加上包括低功率、电子操纵和网状天线在内的先进天线技术，多输入多输出（MIMO）SDR能够在恶劣条件下对纳米无人机蜂群进行可靠的控制和监控。


实时通信解决方案

紧凑集成是将所需的人工智能和机器学习处理能力、伺服控制器、传感器和通信系统融入尺寸不断缩小的无人机机身的关键。用于包括纳米无人机在内的无人机和无人地面车辆的人工智能任务（AIM）系统（AIMind）机器人控制单元运用了密集、隔振部件，同时密切关注有源器件的放置，以最大限度地减少功耗和热足迹，并限制电磁干扰（EMI）。
人工智能任务系统由VOLT（一种轻型电源）、GCS（一种与三星Galaxy S20 TE类似的随身携带终端设备），以及可穿戴的AITN模块组成，AITN模块是一种带有人工智能任务系统计算机的战术无线电。配备89克AIMind机器人控制单元（图1）的无人机和无人地面车辆由运行安卓战术突击套件（ATAK）和ATAK无人机工具插件的地面控制系统控制。AIM的重量不到2磅，可以很轻松地与其他装备一起携带。通过使用本机ATAK无人机控制软件，操作人员可以在安全的ATAK网络上获得实时流媒体视频和数据。

图1：人工智能任务系统机器人控制模块包含多种电子设备，包括一台AI/ML计算机，以赋能自主PX4无人驾驶飞行器，并提供多架无人机之间的通信和蜂群能力

配备有AI/ML技术和控制软件的AIMind无人机和无人地面车辆可用于创建室内和室外无人机和无人地面车辆蜂群任务。无论是否使用GPS或连接到地面控制，有效载荷传感器数据都能够在无人平台上通过AI/ML算法进行处理。模块化有效载荷设计适用于尺寸最小的战术无人机，这些有效载荷包括扫描激光雷达、12通道化学探测、超声波传感器和电光/红外相机。有效载荷从无人设备上的机器人控制单元获得了强大的控制和分析能力。该软件使用多个传感器提供完全集成的自主无人机导航，用于人工智能辅助的物体探测和分类。与集成SDR无线电合作，使无人机和无人地面车辆能够在2公里至10公里（1.24英里至6.2英里）的距离范围内以92 Mb/sec的数据速率使用MANET通信进行协调。
即使在没有GPS信号的情况下，配备人工智能技术的无人机和无人地面车辆也可以在充满威胁的室内环境中进行精确的测绘和制导，并能够应用视觉增强系统软件（VAS）来管理虚拟现实和增强现实（VR/AR）算法。40KHz超声波脉冲和TOF激光雷达能够创建模拟飞行环境的三维点云，以支持无人机在没有光和可见相机的情况下进行导航。无人机收集的数据可在机载设备上完成处理工作，无需在远程计算机控制器和无人机之间来回发送，以此实现精确的物体识别。微型无人机在信号处理能力和人工智能能力的帮助下，可以在室内和室外环境中提供可靠的监控。
随着新的、更智能的无人机的研发，这种将AI/ML计算集成到无人机中的模块化方法为无人机提供了灵活性和适应性。模块化无人机和无人地面车辆设计方法简化了为每个任务创建特定任务平台的工作。
例如，配备有多达八个摄像头、激光雷达、音频麦克风和化学传感器的AIMind控制单元，以及机载AI/ML处理能力，可以快速集成到任何PX4（开源自动驾驶软件）无人机和无人地面车辆系统中。例如，通过仔细选择有效的机翼设计、可充电电池尺寸以及传感器和其他模块的数量，该电动垂直起降无人机系统可飞行超过三小时。
当然，即使是拥有最密集、最先进的人工智能计算引擎的微型无人机，也需要与指挥站建立一致的通信链路，以共享收集到的宝贵ISR数据。无论是控制单个无人机还是无人机蜂群，无线电链路通常都必须对抗敌方干扰，适应环境条件，甚至要在无人机收集数据时适应部队和指挥所的移动。事实证明，即使面临苛刻的电气、机械和环境要求，机载无人机和微型隐蔽天线（如美国西南天线公司开发的天线）也能够维持MANET通信（图2）。

图2：双频MIMO单元等隐蔽天线构成了战场上小型战术无人机通信链路的一部分

蜂群中无人机之间的数据传输和接收以及引导无人机和操作人员随身携带的通信设备之间的数据传输和接收都需要这种双频天线。为MIMO而构建的天线具有2.1至2.5 GHz和4.4至5.0 GHz频带的垂直偏振，这种天线的尺寸仅为1.9×0.75×0.15英寸，但可以紧密安装在士兵身体上并正常工作。如果以45度角安装在无人机内部，该天线也可以用于左倾斜/右倾斜配置。在相反的倾斜方向上需要两个天线以构建2X2的MIMO性能。这些天线具有独特的机载可调匹配电路，能够根据自定义应用需求调整天线馈电点，并集成到各种不同尺寸和配置的无人机机身中。该天线坚固的外壳甚至使其具有防水性。
人工智能凭借其功能多样性和高度集成，使降低小型无人机和无人地面车辆的尺寸、重量和功率成为可能。同时，MOSA和PX4模块化使特定任务的无人机和无人地面车辆能够快速升级，并增强了人工智能和机器学习能力。结果是：无人机帮助人类与危险保持安全的距离，同时为任务的成功收集尽可能多的感知数据。