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本文研究了利用同時探測原理的無人飛行器群進行自主監控的模型。該模型可指定探測感興趣區域內感興趣物體所需的傳感器數量；只有指定數量的傳感器同時掃描，才能探測到物體。該模型計劃在監控行動期間部署蜂群中的單個車輛，以保證監控的最高質量；質量以行動期間所覆蓋的感興趣區域的百分比來衡量。此外，假設監控是在復雜的行動區域（包括城市環境、建筑密集區或地形非常不平坦的山區環境）進行的，在這些區域可能會經常出現由障礙物或地形造成的遮擋。為解決問題，提出了基于模擬退火的元啟發式算法。該算法部署了一定數量的航點，從這些航點進行監控，最大限度地提高監控質量，并考慮到同步檢測原則。該算法通過一組基于典型監控場景的實驗進行了驗證。

當代武裝沖突不同于二十多年前的武裝沖突。當代武裝沖突的最大特點之一是戰場局勢多變，來自不同來源的信息不計其數，可靠性也各不相同。此外，當代大多數行動都是在特定環境下進行的，如城市和集結區（西伯利亞、烏克蘭）等，這大大限制了普通的偵察和監視方式。這種環境需要新的方法來收集和處理所有必要信息，以支持軍事決策過程（營級及以上）或部隊領導程序（連級及以下）。

指揮官決策的關鍵步驟之一是監視。可以說，監視是一個持續的過程，始于計劃和決策過程。它為指揮官的決策提供關鍵信息。通常，偵察工作由部署在敵區縱深的特別小組進行。顯然，部署這樣一個或多個小組對他們的訓練和準備要求很高。此外，來自這些小組的信息流是延遲的，而且不必精確，這可能會對任務產生巨大影響。在當代行動中，無人駕駛飛行器（UAV）等新技術被用于收集幾乎在線的信息，為指揮官的決策提供支持。無人飛行器的使用對決策的速度和質量產生了巨大影響。此外，這種信息收集方式還能節省人力資源。有關這一問題的更多信息可參見文獻 [1-7]。

本文提出了使用小型無人機群（sUAV）進行自主監控的模型。目標是通過無人機群中的傳感器覆蓋盡可能大的感興趣區域。每架無人機都部署在行動區的準確位置（航點），監控感興趣區域的一部分。該模型還允許在需要多個傳感器檢測某些感興趣物體的情況下使用（進一步稱為同步檢測）。此外，假設監控是在復雜的行動區（包括城市環境、建筑密集區或地形非常不平坦的山區環境）中進行，障礙物或地形造成的遮擋可能會經常發生。

無數科學著作都在關注如何將無人機群用于多種目的。要解決無人機群進行偵察或監視等復雜問題，有幾個課題非常重要。此類任務的路徑規劃是關鍵問題之一。Yao 等人[8]提出了一種基于 Lyapunov 導向矢量場（LGVF）和改進干擾流體動力學系統（IIFDS）的混合方法，以解決多架無人機三維合作路徑規劃中的目標跟蹤和避障問題。Lamont 等人[9]設計并實現了無人機群的綜合任務規劃系統。該系統集成了多個問題領域，包括路徑規劃、飛行器路由和基于分層架構的蜂群行為。Shanmugavel 等人[10] 研究了同時到達目標的路徑規劃問題。

與無人飛行器有關的另一個關鍵問題是其可靠性和故障保護。軍事指揮官必須做好在任何意外情況下完成任務的準備。使用無人機群執行監視任務是一個非常重要的問題，關系到關鍵信息的精確收集。目前還沒有專門針對這一主題的科學著作，但有幾篇有趣的論文值得考慮。Triharminto 等人[11] 開發了一種三維移動目標攔截避障算法。該算法被稱為 L+Dumo 算法，整合了改進的杜賓斯算法和線性算法。可以對這種方法進行修改，以減少無人機無法完成監視任務的影響。Sampedro 等人[12]重點研究了可擴展的靈活架構，用于無人機群的實時任務規劃和智能體到任務的動態分配。所提出的任務規劃架構包括一個全局任務規劃器（GMP），負責通過一個智能體任務規劃器（AMP）分配和監控不同的高級任務，而智能體任務規劃器則負責向蜂群中的每個無人機提供和監控任務中的每個任務。Sujit 等人[13] 解決了在由靜態、彈出式和移動式障礙物組成的障礙物豐富環境中運行的多架無人機從給定起始位置到目標配置生成可行路徑的問題。彈出式和移動式障礙物環境中的路徑規劃系統為解決無人機群在復雜環境（包括建筑密集區或山區地形）中執行監視任務時出現的故障提供了靈感。

異構多智能體系統為解決農業、軍事、裝配和倉庫自動化等不同領域的復雜問題提供了可能，否則單個智能體是無法解決這些問題的。要有效部署異構多機器人團隊，研究必須解決不同抽象程度的四個問題：任務規劃（是什么）、運動規劃（如何）、任務分配（誰）和調度（何時）。這些問題高度相互依存，先前的工作已經證明，利用這些問題的單個解決方案之間的協同作用的系統可以提高多機器人協調的效率和效益。

本文研究了在多智能體組隊應用中使用基于特質的模型來表示單個智能體，以及如何利用基于特質的建模來實現更穩健、更高效的多智能體聯盟組建解決方案。具體來說，我們研究了如何在聯盟組建算法中使用這些技術來回答任務分配、調度、運動規劃和任務規劃這四個問題。

我們的研究表明，利用基于機器人和任務特質建模的算法可以在異構多機器人團隊中實現高效的協調，并且在時間進度、分配質量和計算效率方面優于現有方法。本論文的貢獻如下：

• 創建一個建模框架，使現代任務分配算法能夠推理動態特征。通過使用基于轉換的建模框架，我們創建了對以往基于特質的建模技術的擴展，以更好地推理智能體的特質如何隨時間變化。

• 為異構多機器人系統開發基于時間擴展特質的任務分配和路徑規劃統一框架。我們引入了一種基于搜索的方法，用于基于特質的時間擴展任務分配和運動規劃，命名為增量任務分配圖搜索（ITAGS）。

• 整合任務規劃、任務分配、調度和運動規劃的新型多機器人協調問題的形式化和解決方案。我們形式化了一類新的多機器人協調問題，該問題融合了這些問題中的每一個，并提出了一種解決方案（圖形遞歸同步任務分配、規劃和調度（GRSTAPS））。

• 為 ITAGS 的動態變體創建框架，該變體能夠進行基于特征的任務分配修復： 我們對 ITAGS 進行了擴展，使用基于特質的動態時間擴展任務分配算法，如果智能體的特質或任務要求在執行過程中發生變化，該算法可以修復任務分配。

• 創建一個主動學習框架，用于學習多智能體任務分配問題的特質要求： 由于理解一個聯盟的特質與該聯盟在特定任務中的表現之間的關系可能具有挑戰性，因此我們提出了一種主動學習框架來學習任務與特質之間的關系。此外，我們還提供了一種新的時間擴展任務分配算法，該算法能夠優化學習到的質量模型。

圖 2.1： 顯示各種多機器人協調問題交叉點的維恩圖。

面對未來復雜多變的戰場，軍事行動越來越需要自主能力更強的機器人為士兵提供支持。要在軍事行動的整個過程中建立人類與機器人團隊合作的共同基礎，就必須進行有效的溝通。然而，人們對混合主動協作的溝通類型和形式仍不完全了解。本研究探討了人機交互中的兩種交流方式--透明度和通信模式，并研究了在協作演習中，機器人隊友操縱這些元素對人類隊友的影響。參與者與計算機模擬的機器人一起執行一項類似 “警戒搜索 ”的任務。人機界面提供了不同類型的透明度--關于機器人單獨的決策制定過程，或關于機器人的決策制定過程及其對人類隊友決策制定過程的預測--以及不同的通信模式--或者向參與者傳遞信息，或者既向參與者傳遞信息又從參與者那里獲取信息。實驗結果表明，與互動性較弱的機器人相比，既能傳遞信息又能征求信息的機器人更有活力、更討人喜歡、也更智能，但與這些機器人合作會導致在目標分類任務中出現更多失誤。此外，回應機器人的行為也會導致正確識別的數量減少，但只有當機器人只提供有關其自身決策過程的信息時才會出現這種情況。這項研究成果為設計支持人機協作的下一代視覺顯示器提供了參考。

機器人和人工智能正在改變我們世界的許多方面。本研究將調查這些技術在水下監視領域的潛在影響和應用，更具體地說，是在應對水雷威脅方面的潛在影響和應用。最終目的是測試是否有可能利用人工智能算法使自主水下航行器具備必要的能力，以取代海上掃雷行動中的人類操作員。這項研究的重要性既在于海事部門日益增長的重要性，也在于機器人和人工智能學科的科學價值。

事實上，海事部門在社會和世界經濟中發揮著越來越重要的作用，這就要求加強安全措施，以保證服務的連續性。海上貿易的增長、通過水下管道輸送的數據和原材料的數量以及在海岸線附近或海域建造的基礎設施的重要性都證明了這一點。然而，必須強調的是，目前監測、控制和必要時干預這種環境的能力非常有限。要監測和保護廣闊的海域，需要付出巨大的努力，而這些海域的邊界很難界定，也沒有關于威脅性質的準確信息，以目前在該領域使用的技術很難持續下去。最近發生的幾起破壞其中一些基礎設施的事件就證明了這一點，這些事件對整個地區的穩定造成了嚴重后果（見北溪管道事件）。

機器人技術和人工智能的最新發展也為這一領域開辟了新天地，創造了重要機遇。一方面是所謂的無人海上系統的發展和演變，這種系統能夠在惡劣的環境中工作，配備強大的傳感器，但平均成本要比傳統的海軍資產低得多；另一方面是人工智能，它使機器能夠在沒有人類干預的情況下執行越來越復雜的操作。

本文的研究結構如下。在引言中，概括性地指出了使用海上無人系統（MUS）進行水下監視所面臨的主要挑戰和機遇，并分析了該領域最有前途的戰略和解決方案。

然后，重點轉向本論文開發的主要應用，即研究和實現能夠自主探測和定位海底地雷的系統和相關算法。

第一步是選擇一個符合成本效益和小尺寸要求的合適平臺。然后選擇一個能夠在水下探測水雷等物體的傳感器，并將其集成到平臺上。

接下來，討論了人工智能的發展及其在水下領域的應用。重點是研究應用于水下圖像的自動目標識別的最新技術。

從最有前途的最新技術入手，開始為自主水下航行器上的準實時應用選擇最佳算法。為此，創建了一個水下圖像數據集，用于訓練和測試基于卷積神經網絡的算法。選定用于船上集成的算法是 “只看一次”（YOLO）神經網絡。該算法的集成實現了為自動潛航器提供自主探測海底類雷物體能力的目標。此外，該算法的訓練和測試階段強調了正確選擇不同數據集的數據以及管理不同水下感知傳感器的重要性。然而，這些研究結果凸顯了這些算法的一些局限性，這促使人們開始尋找新的解決方案。特別是，我們提出了一種名為 “顯著性 CNN ”的算法，它將使用顯著性算法檢測圖像中異常的能力與 CNN 對已知物體進行分類的能力相結合。結果，這種兩階段分類器既能區分感興趣的物體，也能區分海底的一般異常現象。

最后，結束語一章為今后的工作留出了空間，提出了擬議算法 Saliency-CNN 的新實施方案，并為數字孿生系統在水下機器人技術中的引入和使用鋪平了道路。

圖 1.1： CSSN 的系統體系示意圖。由網關浮標與指揮和控制站連接的異構無人系統，具有各種傳感和通信方式（水下和無線電）以及高度自動化。

圖 2.2： 基于無人系統的水下監視概念方案。每個無人潛航器都攜帶一個或多個特定有效載荷并執行特定任務，通過網絡進行通信、數據收集和實時監測。水下和空中環境之間的通信基礎設施由作為網關浮標的 USV（即配備聲學和無線電調制解調器）提供保障。北約研究船 “聯盟號”（NRV Alliance）是輔助船，用于開展各種海洋學活動，并可充當 C2S。在草圖中，UUV 配備了矢量傳感器和/或聲學陣列，用于探測入侵者。但有些 UUV 則配備了側掃聲納有效載荷，用于海底探測。

近年來，計算機視覺和機器學習系統有了顯著改善，這主要是基于深度學習系統的發展，從而在目標檢測任務上取得了令人印象深刻的性能。理解圖像內容則要困難得多。即使是簡單的情況，如 "握手"、"遛狗"、"打乒乓球 "或 "人們在等公交車"，也會帶來巨大的挑戰。每種情況都由共同的目標組成，但既不能作為單一實體進行可靠的檢測，也不能通過其各部分的簡單共同出現進行檢測。

這篇論文將描述一個用于進行視覺情境識別的新型系統，其目標是開發能夠展示與理解相關特性的機器學習系統。該系統被稱為 Situate，它能在給出情況描述和少量標注訓練集的情況下，學習目標外觀模型以及捕捉情況預期空間關系的概率模型。給定一張新圖片后，Situate 會利用其學習到的模型和一系列智能體對輸入內容進行主動搜索，以找到情況模型與圖片內容之間最一致的對應關系。每個智能體都會開發模型與輸入內容之間可能存在的對應關系，而 Situate 會為智能體分配計算資源，以便盡早開發出有希望的解決方案，但也不會忽略其他對應關系。

將把 Situate 與更傳統的計算機視覺方法（該方法依賴于檢測情境中的組成目標）以及基于 "場景圖 "的相關圖像檢索系統進行比較。將在情境識別任務和圖像檢索中對每種方法進行評估。結果表明了圖像內容和該內容模型之間的反饋系統的價值。

過去幾十年來，在安全、監視、情報收集和偵察等許多領域，對目標跟蹤（OT）應用的需求一直在增加。最近，對無人系統新定義的要求提高了人們對 OT 的興趣。機器學習、數據分析和深度學習的進步為識別和跟蹤感興趣的目標提供了便利；然而，持續跟蹤目前是許多研究項目感興趣的問題。本論文提出了一個系統，實現了一種持續跟蹤目標并根據其先前路徑預測其軌跡的方法，即使該目標在一段時間內被部分或完全隱藏。該系統分為兩個階段： 第一階段利用單個固定攝像機系統，第二階段由多個固定攝像機組成的網狀系統。第一階段系統由六個主要子系統組成：圖像處理、檢測算法、圖像減法器、圖像跟蹤、跟蹤預測器和反饋分析器。系統的第二階段增加了兩個主要子系統：協調管理器和相機控制器管理器。這些系統結合在一起，可以在目標隱藏的情況下實現合理的目標跟蹤連續性。

無人機系統（UAS）是近期顛覆性技術的最佳范例之一，理所當然地成為無數新型軍事和民用應用的主力軍。無人機系統技術已經發展到這樣一個地步：從后勤角度看，部署成群的無人機系統是一項合理可行的活動。然而，完全自主和分布式地控制這些無人機蜂群仍然遙不可及。特別是，如果蜂群成員或它們所支持的其他網絡節點處于通信斷開狀態，那么蜂群的協調工作就會變得尤為困難。此類研發活動的高風險性質和潛在危險后果也使其實施極為罕見。此外，從自動化設計和部署的角度來看，算法的可擴展性問題依然存在。本論文旨在通過模擬和機器人現場實驗解決這些問題，利用生物啟發和強化學習方法為常見的無人機系統應用生成蜂群控制方案。

在論文的技術部分中，第 4 章至第 6 章提出了幾種新型蜂群控制算法，以支持通信和其他基于位置的任務。通過對由此產生的新興行為進行數學分析，可以深入了解協調是如何發生的。論文進一步研究了這些算法適應不同環境條件的方式，如通信連接、蜂群規模和角色要求。第 7 章和第 8 章從自動算法設計和實際通信的角度探討了蜂群的可擴展性問題。前者表明，通過多智能體強化學習架構生成的控制策略的移植取決于智能體觀察環境的方式；據作者所知，這是首個此類結果。這一結果允許部署大型蜂群，而無需訓練其所有成員。在后者中，隨著通信信道擁塞程度的增加，出現行為的崩潰也會隨之加劇，從而為衡量此類算法中的出現行為提供了新的衡量標準。

作為一項完整的工作，本論文通過模擬和數學分析，為推動自主蜂群控制的現狀做出了多項貢獻。在可行的情況下，還在真實系統上進行了實驗，以進一步驗證現實世界中的結果。這些貢獻的一個理想結果是提高了利用蜂群控制的系統的可信自主性。

多智能體自主系統與實時規劃有關的研究日益增多，本論文就是對這一研究的貢獻。多年來，由移動智能體組成的自主系統已被證明是用于探索（如太空機器人）、軍事（如搜救行動）和工業應用（如谷歌自動駕駛汽車）的高效、穩健和多功能工具。隨著自主技術日趨成熟，部署多個自主智能體來完成復雜的任務在許多不同的應用中都受到了廣泛關注。如果單個智能體可以完成一項任務，那么多個智能體就有可能更快地完成任務。然而，引入多個智能體會使整個系統變得更加復雜，因為現在的智能體需要能夠有效地相互協作。在沒有有效協作機制的情況下隨機引入智能體，可能會對生產率產生負面影響。

本論文的研究目標是使多智能體自主系統在現實應用中無處不在。我們采用了自下而上的方法來開發算法機制，以應對我們在實現這一目標的道路上所面臨的挑戰。

對于在動態環境中運行的智能體來說，能否成功執行任務取決于它能否有效地導航到目標位置。如果我們在環境中引入更多的智能體，路徑規劃的要求就會更高，因為現在智能體之間必須把彼此當作動態障礙物來對待。路徑規劃算法不僅需要避開障礙物，還需要足夠快的速度，以便在移動智能體在導航過程中遇到意外障礙時重新規劃。此外，路徑規劃算法還需要保證智能體能夠在滿足機械約束條件的情況下穿越路徑。

我們開發了一種基于隨機優化的同步重規劃矢量粒子群優化算法（SRVPSO），通過避開靜態和動態障礙物來找出成本最優的路徑。所提出的算法通過應用同步重新規劃策略，減少了路徑規劃的計算時間。SRVPSO 算法還能在一些車輛約束條件下工作，如車輛尺寸和轉向角。此外，還開發了一種不同地形的可穿越性評估方法，以便在未知環境中進行無風險、穩健的導航，同時優化總成本。

由移動智能體群組成的自主系統需要一個有效的任務規劃器來成功完成一系列任務。任務規劃器所面臨的挑戰是如何為每個智能體確定最優化的任務數量和相關任務。為了解決多智能體自主系統任務規劃過程中的任務分解和任務分配問題，我們開發了一個折中視圖（CV）模型和一個基于最近鄰搜索（NNS）的模型。結果表明，這些模型因其反應式管理結構而非常有效，能成功完成任務。NNS 模型能有效地解決智能體的分解問題。它還具有任務切換能力。

任務規劃器的多目標優化框架可確定任務所需的智能體數量。任務規劃器利用所開發的任務分解方法，最大限度地減少完成任務的時間以及智能體的數量。多目標框架的輸出是帕累托最優值，然后將其作為決策框架的輸入，根據用戶定義的一些約束條件和優先事項確定優化的智能體數量。在測量完成任務的時間時，任務規劃器利用先前開發的路徑規劃器模擬智能體在環境中的導航軌跡，以提供最準確的估計。

然而，正在進行的任務可能會受到突發事件的影響（如一些天氣事件、智能體的意外維護要求等）。未來任務的規劃取決于正在進行的任務，因為它提供了對資源可用性的估計。需要一個現實的預測模型，利用過去任務的信息，對當前任務的完成情況進行統計估計。

我們開發了一個基于人工神經網絡的預測模型，根據以往任務的信息預測任務的完成時間。該預測模型旨在為潛在的任務規劃者提供指導。利用這一數值模型，未來的規劃者可以預測所需的資源，而無需經過優化過程。上述所有算法工具都通過大量的模擬結果和實時實驗進行了演示。

本文的主要重點是開發一種低成本、魯棒性和高效的合作定位解決方案，以幫助無人自主飛行器在全球定位系統缺失或性能下降的條件下進行導航。

首先，推導出固定翼無人機（UAV）和多旋翼無人機的完全可觀測性條件。創建了一個相對位置測量圖（RPMG），圖中的節點是車輛或已知特征（地標），它們之間的邊代表測量結果。利用圖論和線性代數概念，得出了可觀測矩陣最大秩的條件，并建立了可觀測矩陣秩與系統中可用測量值之間的關系。該分析條件的缺點之一是必須在所有時間時刻保持一個連通的 RPMG。因此，我們提出了一種離散時間可觀測性條件，即一個時間間隔內的 RPMG 的聯合必須是相連的。

接下來，將討論無人飛行器 (UV) 緊密協調和控制的一個基本問題。在各種應用中，飛行器的慣性位置并不重要。在這種情況下，車輛之間的相對姿態和方位對開發控制器非常有用。眾所周知，擴展卡爾曼濾波器（EKF）的性能非常出色，前提是它的初始化接近真實位置并能接收到測量結果。對于沒有任何全球定位系統（GPS）測量數據或網絡延遲嚴重（需要重新初始化濾波器）的長距離行駛車輛，已知先驗信息的假設是無效的。為了規避這些問題，我們開發了一種多假設卡爾曼濾波器（MHEKF），該濾波器在初始化過程中沒有先驗信息，這意味著相關的不確定性非常大。

最后，解決了地面車輛的分布式合作定位問題。集中式合作定位需要大量計算。我們開發了一種分布式合作定位算法，使組內的每輛車都能估計自己的慣性狀態。該算法是為自主地面車輛開發的，在仿真中僅使用測距數據。

圖 1.1：合作定位的相對位置測量圖，其中塔作為地標（已知興趣點），不同的 UV 相互合作。

無人機（UAVs）在軍事和民用領域發揮著至關重要的作用。本論文的研究有助于智能控制系統（ICS）領域，特別是實現旋轉翼無人飛行器（RUAV）可靠、便捷的自主控制。特別是，本論文解決了如何適應未建模動態和干擾（如在空中改變有效載荷）的難題。

無人機可以攜帶額外的重量，如傳感器、貨物，甚至被稱為有效載荷的懸掛物。已經開發了許多策略來穩定不斷變化的有效載荷，但這些策略都假定有效載荷是剛性的，重心（CoG）是靜態和已知的。有效載荷質量及其類型在飛行過程中的變化會極大地影響無人機的動態性能，這就要求控制器進行調整，以保持令人滿意的閉環性能。此外，還沒有探索過在半空中從一架較大的飛機（如氣象氣球）上發射一組具有隨機姿態的送貨無人機的情況。最后，未建模的動力學和陣風等不確定因素給飛行操作帶來了挑戰，因此綜合控制系統對于處理這些不確定因素至關重要，但對非基于模型的綜合控制系統的設計和開發關注不夠。

受這些研究空白的啟發，本論文探討了如何處理有效載荷在空中的 CoG 變化和姿態獨立發射的控制問題。為解決這些問題并實現理想的軌跡跟蹤控制，本文提出了一種新型非基于模型的綜合控制系統，稱為雙向模糊腦情感學習（BFBEL）控制系統。所提出的控制系統融合了模糊推理、神經網絡和基于強化學習的新型雙向腦情感學習（BBEL）算法。所提出的 BFBEL 控制器能夠從零開始快速適應，可用于控制 RUAV 的所有六自由度 (6DOF)。為擴大擬議控制器的適用性，開發了單輸入-單輸出（SISO）和多輸入-多輸出（MIMO）架構。本研究考慮的兩種無人駕駛飛行器模型是四旋翼無人駕駛飛行器（QUAV）和直升機無人駕駛飛行器（HUAV）。SISO 版本的 BFBEL 控制系統被應用于 QUAV，以解決處理 CoG 和重量不同的外部有效載荷的問題。BFBEL 控制系統的 MIMO 版本應用于 HUAV，以解決在空中獨立發射姿勢的問題。對這兩種系統都進行了模擬評估，并通過實驗驗證了如何處理 CoG 不確定的外部有效載荷問題。最后，在相同的控制情況下，將飛行能力和控制性能與傳統的比例積分微分（PID）控制器方案進行了比較。