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隨著技術的不斷進步和日常對海洋資源的依賴，無人水面航行器（USVs）的作用成倍增加。目前，具有海軍、民用和科學用途的 USV 正在各種復雜的海洋環境中進行廣泛的作業，并對其自主性和適應性提出了更高的要求。USV 自主運行的一個關鍵要求是擁有一個多車輛框架，在此框架下，USV 可以在實際海洋環境中作為一個群體運行，并具有多種優勢，例如可以在更短的時間內勘測更廣闊的區域。從文獻中可以看出，在單體 USV 路徑規劃、制導和控制領域已經開展了大量研究，而在了解多載體方法對 USV 的影響方面卻鮮有研究。本論文整合了高效的最優路徑規劃、穩健的路徑跟蹤制導和合作性集群聚合方法等模塊，旨在開發一種新的混合框架，用于 USV 蟲群的合作導航，以實現海洋環境中的最優自主操作。

首先，設計了一種基于 A* 算法的有效而新穎的最佳路徑規劃方法，其中考慮到了與障礙物的安全距離約束，以避免在移動障礙物和海面洋流的情況下發生碰撞。然后，將這種方法與為 USV 開發的新型虛擬目標路徑跟蹤制導模塊相結合，將路徑規劃器的參考軌跡輸入制導系統。當前工作的新穎之處在于將上述集成路徑跟蹤制導系統與分布式集群聚集行為相結合，通過基于簡單電位的吸引和排斥功能來維持 USV 蟲群的中心點，從而引導 USV 集群進入參考路徑。最后，介紹了一個用于 USV 船隊合作導航和制導的最佳混合框架，該框架可在實際海洋環境中實施，并可在海上有效地實際應用。

由于近年來無人駕駛飛行器技術的蓬勃發展，這些飛行器正被用于許多涉及復雜任務的領域。其中一些任務對車輛駕駛員來說具有很高的風險，例如火災監控和救援任務，這使得無人機成為避免人類風險的最佳選擇。無人飛行器的任務規劃是對飛行器的位置和行動（裝載/投放載荷、拍攝視頻/照片、獲取信息）進行規劃的過程，通常在一段時間內進行。這些飛行器由地面控制站（GCS）控制，人類操作員在地面控制站使用最基本的系統。本文介紹了一種新的多目標遺傳算法，用于解決涉及一組無人飛行器和一組地面控制站的復雜任務規劃問題（MPP）。我們設計了一種混合擬合函數，使用約束滿足問題（CSP）來檢查解決方案是否有效，并使用基于帕累托的方法來尋找最佳解決方案。該算法已在多個數據集上進行了測試，優化了任務的不同變量，如時間跨度、燃料消耗、距離等。實驗結果表明，新算法能夠獲得良好的解決方案，但隨著問題變得越來越復雜，最佳解決方案也變得越來越難找到。

無人機技術的最新發展導致了無人駕駛飛行器（UAV）的廣泛使用。特別是，無人飛行器經常用于偵察，以探測大面積區域內的失蹤人員等物體。然而，傳統系統僅使用一架無人飛行器在大面積區域內搜尋失蹤人員。此外，由于探測需要較高的計算能力，因此需要在飛行后或手動進行物體探測。本文提出了一種使用多架無人機的無人機偵察系統。所提議的多無人機偵察系統在每個無人機上執行實時目標檢測。地面控制系統（GCS）接收每架無人機的實時目標檢測結果，并對圖像進行拼接。為了實現單個無人機的實時目標檢測，YOLOv5 模型采用了濾波器剪枝方法，與現有的基線模型相比，該模型使用的參數減少了 40%。輕量級 YOLOv5 模型在使用任務計算機的 Jetson Xaiver NX 上實現了約 11.73 FPS 的速度。此外，所提出的圖像拼接方法可利用無人機生成的附加信息有效匹配特征，從而實現圖像拼接。無人機飛行測試表明，擬議的偵察系統可以在大面積區域內實時監控和檢測目標。

隨著近年來無人機技術的發展，無人機現已被廣泛應用于各種領域，例如人類難以直接搜索和分析的大型危險區域的偵察系統。人工智能的進步極大地提高了物體探測技術，可以發現人或汽車。然而，由于大多數任務都是由單架無人機執行，因此作業范圍和時間都受到限制。此外，由于無人駕駛飛行器（UAV）的性能限制，很難實時探測物體，因此無法立即做出反應。這些限制激發了對使用多架無人機進行蜂群飛行的研究，通過劃分大面積區域來執行任務，并通過為無人機分配不同的任務來實現合作。

蜂群偵察系統需要一個能同時控制和管理多架無人機的蜂群操作系統。在該系統的基礎上，還需要一種圖像拼接算法，將無人機接收到的圖像進行同步處理，并合并成一張匹配的圖像。整合后的圖像可幫助用戶有效了解整體情況并做出決策。然后，需要一種實時物體檢測算法來檢測失蹤人員或入侵者。在物體檢測方面，已經使用了深度學習算法。然而，由于其計算成本較高，處理過程需要在無人機外部進行或作為后處理。

本文提出了一種基于數據分布服務的蜂群偵察無人機系統，如圖 1 所示，該系統使用安全的集成指令同時控制和操作多架無人機。所提出的系統接收來自每架無人機的獨立圖像，并對圖像進行拼接，同時實時檢測無人機內的物體。因此，地面控制系統（GCS）可實時提供全面的態勢感知。通過基于無人機獲取的拼接圖像的目標檢測測試，對所提出的系統進行了驗證。

本文的主要貢獻可歸納如下：

1. 提出了一種基于無人機圖像的實時目標檢測方法。以每秒處理 10 幀（fps）為目標，設計了一個擬議的蜂群偵察無人機系統，用于執行實時目標檢測。為了在無人機使用的 Jetson Xavier NX 系統中達到 10 幀/秒的要求，提出了針對輕量級網絡的濾波器剪枝方法，以實現物體檢測性能。

2. 為蜂群無人機系統提出了實時圖像拼接方法。提出的圖像拼接方法利用無人機產生的附加信息有效地匹配特征。

3. 對無人機進行飛行實驗，以驗證所提方法的可行性。

本文其余部分的結構如下。第二節介紹了無人機群系統和無人機圖像目標檢測的相關研究。第三節介紹了擬議的具有空中圖像拼接和實時目標檢測功能的蜂群偵察無人機系統的總體結構。第四節簡要介紹了實驗裝置和結果。第五節討論本文的結論。

薩姆雷（SAMURAI）多靜態 C 波段雷達系統最初是作為技術示范開發的，用于探測 5 千米范圍內的無人機。它由兩個使用數字波束成形天線的接收節點和一個相控陣發射節點組成，后者以快速掃描模式照射觀測區域。雷達信號以線性頻率調制（LFM）脈沖形式傳輸，因此隨后的脈沖壓縮可實現高分辨率的范圍掃描。在約 4°的相對較窄波束中，發射功率超過 100 W，因此靈敏度很高，這是成功探測雷達截面較小的物體所必需的。系統通常采用多靜態幾何結構，即節點分布在感興趣區域的周圍。多靜態系統的優點是冗余度高，可以避免多普勒為零的情況。此外，與傳統的單靜態雷達（信噪比以雷達距離的四次方遞減）相比，這種幾何形狀可使信噪比（SNR）在觀測區域內分布更均勻。雷達系統的多個接收節點與發射節點不在同一地點，必須精確對準和校準測距，以便單個目標在各個接收節點的探測結果相互重疊。幾何重疊是成功的軌跡融合算法的先決條件，該算法針對源自兩個目標生成器的模擬目標以及源自無人機和車輛的真實目標進行了演示。使用兩個非定位目標模擬器進行的幾何校準已證明可提供測距和方向校準所需的精度。該系統已被用于山區和城市環境中的無人機探測。利用真實無人機和由兩個多靜態目標生成器生成的模擬目標，對系統的探測能力進行了評估，并對已實施的軌跡生成進行了測試。從兩個接收節點生成的軌跡被實時融合為一個單一的軌跡，即使一個接收器上的軌跡生成中止，也能持續跟蹤無人機。

近年來，未經授權的無人駕駛飛行器（UAV）所造成的危險已大大增加，因此，至少需要采取適當的探測、跟蹤和反制措施來消除這種威脅。除了射頻干擾器、全球定位系統欺騙、高壓激光、電磁脈沖和射彈槍之外，反無人駕駛航空系統（cUAS）也是對付未經授權的小型無人駕駛飛行器的一種非常高效和有效的對策。

本文介紹的 cUAS 是一種全自動、多功能、可移動部署的系統，能夠利用氣壓驅動的網狀發射器攔截市場上幾乎所有的小型無人機。與上述替代方案相比，所開發的 cUAS 不受未經授權的小型無人機操作模式的影響，即手動或自動控制，甚至不受全球導航衛星系統或射頻的影響。我們的多傳感器方法（照相機、激光雷達和雷達傳感器）以及所實施的算法使 cUAS 能夠在各種環境下運行，如開放式機場、軍用場地和城市空間，在這些環境下，許多雷達反射通常會阻礙對小型物體的探測和跟蹤。cUAS 可獨立接近、跟蹤和/或攔截速度高達 20 米/秒的已識別無人機，成功率超過 90%。

本文對 cUAS 原型機的性能進行了演示和評估。對小型無人機的攔截能力和狗斗性能進行了測試和研究。此外，我們還概述了該系統的具體攻擊和防御策略，以及從最初的探測和分類到最終攔截和清除未授權無人機的過程階段特征，并說明了所開發的多傳感器平臺相對于現有單傳感器系統的優勢。

圖 1：地面探測與控制站（左）和攔截無人機系統（右）的硬件組件[產品圖片來自相關制造商]。

圖 3：攔截過程的各個階段及其條件。

對使用無人駕駛飛行器（UAV），即無人機，在不同的應用中，如包裹遞送、交通監測、搜索和救援行動以及軍事戰斗交戰，有越來越多的需求。在所有這些應用中，無人機被用來自主導航環境--沒有人的互動，執行特定的任務和避免障礙。自主的無人機導航通常是通過強化學習（RL）完成的，智能體作為一個領域的專家，在避開障礙物的同時導航環境。了解導航環境和算法限制在選擇適當的RL算法以有效解決導航問題中起著至關重要的作用。因此，本研究首先確定了主要的無人機導航任務并討論了導航框架和仿真軟件。接下來，根據環境、算法特點、能力和在不同無人機導航問題中的應用，對RL算法進行了分類和討論，這將有助于從業人員和研究人員為他們的無人機導航用例選擇合適的RL算法。此外，確定的差距和機會將推動無人機導航研究。

引言

自主系統（AS）是能夠在沒有人類干擾的情況下執行所需任務的系統，如機器人在沒有人類參與的情況下執行任務、自動駕駛汽車和無人機送貨。自主系統正在侵入不同的領域，以使操作更加有效，并減少人為因素產生的成本和風險。

無人駕駛航空器（UAV）是一種沒有人類飛行員的飛機，主要被稱為無人機。自主無人機由于其多樣化的應用而受到越來越多的關注，如向客戶交付包裹、應對交通事故以滿足傷員的醫療需求、追蹤軍事目標、協助搜索和救援行動，以及許多其他應用。

通常情況下，無人機配備有攝像頭和其他傳感器，可以收集周圍環境的信息，使無人機能夠自主地導航該環境。無人機導航訓練通常是在虛擬的三維環境中進行的，因為無人機的計算資源和電源有限，而且由于墜毀而更換無人機部件可能很昂貴。

不同的強化學習（RL）算法被用來訓練無人機自主導航的環境。強化學習可以解決各種問題，在這些問題中，代理人就像該領域的人類專家一樣。代理人通過處理環境的狀態與環境互動，用行動作出回應，并獲得獎勵。無人機相機和傳感器從環境中捕捉信息，用于表示狀態。代理人處理捕捉到的狀態并輸出一個行動，決定無人機的運動方向或控制螺旋槳的推力，如圖1所示。

圖1：使用深度強化智能體的無人機訓練

研究界對不同的無人機導航問題進行了回顧，如視覺無人機導航[1, 2]、無人機植群[3]和路徑規劃[4]。然而，據作者所知，目前還沒有與RL在無人機導航中的應用有關的調查。因此，本文旨在對各種RL算法在不同無人機自主導航問題上的應用進行全面系統的回顧。這項調查有以下貢獻：

• 幫助從業人員和研究人員根據應用領域和環境類型，選擇正確的算法來解決手頭的問題。
• 解釋各種RL算法的主要原理和特點，確定它們之間的關系，并根據環境類型對它們進行分類。
• 根據問題領域，討論和分類不同的RL無人機導航框架。
• 認識用于解決不同無人機自主導航問題的各種技術和用于執行無人機導航任務的不同仿真工具。

本文的其余部分組織如下： 第2節介紹了系統回顧過程，第3節介紹了RL，第4節全面回顧了各種RL算法和技術在無人機自主導航中的應用，第5節討論了無人機導航框架和仿真軟件，第6節對RL算法進行分類并討論了最突出的算法，第7節解釋了RL算法的選擇過程，第8節指出了挑戰和研究機會。最后，第9節對本文進行了總結。

在過去的幾年里，人工智能（AI）系統的能力急劇增加，同時帶來了新的風險和潛在利益。在軍事方面，這些被討論為新一代 "自主"武器系統的助推器以及未來 "超戰爭 "的相關概念。特別是在德國，這些想法在社會和政治中面臨著有爭議的討論。由于人工智能在世界范圍內越來越多地應用于一些敏感領域，如國防領域，因此在這個問題上的國際禁令或具有法律約束力的文書是不現實的。

在決定具體政策之前，必須對這項技術的風險和好處有一個共同的理解，包括重申基本的道德和原則。致命力量的應用必須由人指揮和控制，因為只有人可以負責任。德國聯邦國防軍意識到需要應對這些發展，以便能夠履行其憲法規定的使命，即在未來的所有情況下保衛國家，并對抗采用這種系統的對手，按照其發展計劃行事。因此，迫切需要制定概念和具有法律約束力的法規，以便在獲得利益的同時控制風險。

本立場文件解釋了弗勞恩霍夫VVS對當前技術狀況的看法，探討了利益和風險，并提出了一個可解釋和可控制的人工智能的框架概念。確定并討論了實施所提出的概念所需的部分研究課題，概述了通往可信賴的人工智能和未來負責任地使用這些系統的途徑。遵循參考架構的概念和規定的實施是基于人工智能的武器系統可接受性的關鍵推動因素，是接受的前提條件。

國防無人駕駛飛行器（UAV）的設計是以2008年以來重新興起的反恐戰爭為基礎的，因為2001年雙子塔被襲擊。這種環境有利于無人機的發展和使用，為所謂的馬賽克戰爭概念提供了基礎。這個概念是指導無人機設計和未來使用的主要載體。在這種情況下，新的無人機用戶界面的設計不是基于以前建立的航空顯示概念。原因是這些飛機不是傳統意義上的 "飛行"，而是由地面控制站（GCS）中的飛行員/操作人員指揮的。這是一個必須理解的范式轉變，以提高操作能力和安全性。這種模式的核心是與適當的人機界面有關的問題，以提高態勢感知。本稿討論了這個問題，并研究了與飛行員自主性的適當級別有關的問題；人機界面對決策的影響；自適應界面的設計；使用創新技術進行人機互動；調查無人機與地面部隊和指揮與控制之間的互動。為了闡明這些問題，本稿件提出并描述了一個人機界面原型的構建，以模擬無人機系統在模擬戰斗環境中的操作。調查是基于這樣一個過程：定義場景和任務，建立不同方法的人機界面，設計和分析實驗，用生理傳感器測量人的表現，以便對適當的設計作出定量回答。基于這個過程，預計在關鍵的操作條件下，人的表現可以被評估，并產生最佳的人機界面解決方案，以減少工作量和提高態勢感知。

研究目標

諸如困難目標、嵌入復雜雜波和相互競爭的背景目標設置以及日益嚴重的有意和無意 RF 干擾等幾個因素，繼續增加現代高性能雷達的復雜性和挑戰。認知型全自適應雷達（CoFAR）的推出是為了應對日益復雜的工作環境的挑戰。CoFAR的特點是通過感知-學習-適應（SLA）方法學習和理解完整的多維雷達信道（目標、雜波、干擾等），實現完全自適應發射、接收和控制器/調度器功能。該系統能夠通過估計由雜波和其他干擾信號組成的雷達信道，共同優化自適應發射和接收功能。

隨后的脈沖或相干脈沖間隔（CPI）的雷達波形和CoFAR的接收濾波器基本上是利用對雷達信道的了解來計算的，其中包括雜波和其他干擾信號。在實踐中，信道信息是未知的，應該從探測信號中估計。因此，這些CoFAR系統的有效性高度依賴于雷達信道的靜止性以及信道估計算法的準確性。我們開發了新的信道估計算法，利用了相鄰脈沖的信道脈沖響應之間的關系。所提出的算法優于傳統的無約束的最小二乘法解決方案。

我們還解決了下一步的問題，該框架涉及一個由 "我們 "和 "對手 "組成的對抗性信號處理問題。"我們 "指的是一種資產，如無人機/UAV或探測 "對手 "認知雷達的電磁信號。認知型傳感器將我們在噪聲中的運動狀態作為觀察對象。然后，它使用貝葉斯跟蹤器來更新我們狀態的后驗分布，并根據這個后驗選擇一個行動。我們在噪聲中觀察傳感器的行動。鑒于對 "我們的 "狀態序列和對手的傳感器所采取的觀察到的行動的了解，我們將重點放在以下相互關聯的方面。我們認為敵方雷達通過實施維納濾波器來選擇其發射波形以跟蹤目標，從而使其信號-雜波-噪聲比（SCNR）最大化。通過觀察雷達選擇的最佳波形，我們將制定一個智能策略來估計對手的認知雷達信道，然后通過信號相關的干擾產生機制來迷惑對手的雷達。

研究總結

2020財年的研究報告分為兩大重點：

1 約束信道估計算法

我們的主要目的是開發一種新的信道估計算法，以改善無約束的最小二乘法解決方案，特別是在低信噪比的情況下，因為沒有任何約束的最小二乘法解決方案受到低信噪比值的影響。我們提出了在余弦相似性約束和前一個脈沖的信道脈沖響應與當前脈沖之間的內積約束下的約束最小二乘法問題，該信道脈沖響應正在被估計。

我們首先研究了RFView數據集中相鄰脈沖的信道脈沖響應之間的余弦相似度測量和內積值，觀察到較近的脈沖之間的信道脈沖響應顯示出較高的余弦相似度和內積值。我們還觀察到，無約束的最小二乘法解決方案顯示出更低的余弦相似度值，尤其是在低信噪比環境下。

然后，我們提出了一個新的帶有余弦相似性約束的約束最小平方問題，以改善最小平方解。由于最小二乘法的解決方案不符合余弦相似性約束的理想值，我們強制要求估計的信道脈沖響應有一個理想的余弦相似性測量。由此產生的優化問題是一個非凸問題，然而，我們將其轉換為一個非凸的二次約束二次程序，對其而言，強對偶性是成立的。此外，我們觀察到，無論信噪比水平如何，相鄰信道脈沖響應之間的內積值都不會變化。我們將內積約束添加到帶有余弦相似性約束的非凸式QCQP中，然后得出一個凸式優化問題。

我們使用RFView的真實數據集，提供了所提方法與傳統的無約束租賃平方解決方案的數值結果。我們表明，所提出的兩種方法都優于最小二乘法的解決方案。這也表明，具有余弦相似性約束和內積約束的凸問題顯示出最好的性能，盡管計算復雜度比具有余弦相似性約束的非凸QCQP低得多。我們還提供了使用RFView挑戰數據集的仿真結果，帶有內積約束的凸問題在挑戰數據集中表現良好。

2 通過逆濾波進行信道/參數估計和智能干擾設計

我們考慮了涉及認知雷達的相互關聯的對抗性推理問題，并解決了如何在物理層層面設計干擾來迷惑雷達，從而迫使它改變發射波形。對手雷達通過實施維納濾波器來選擇目標跟蹤的發射波形，以使其信號-雜波-噪聲比（SCNR）最大化。通過觀察雷達選擇的最佳波形，我們開發了一種智能策略來估計對手的認知雷達信道，然后通過信號相關的干擾生成機制來迷惑對手的雷達。

我們的目標是使我們產生的干擾的信號功率最小化，同時確保對手雷達的SCNR不超過預先定義的閾值。其設置示意圖見圖1。

圖1. 涉及對抗性認知雷達和我們的發射信道、雜波信道和干擾信道的示意圖。我們在噪聲中觀察雷達的波形W。我們的目的是設計干擾信道P來迷惑認知雷達。

我們首先描述了認知型雷達如何根據其感知的干擾來優化選擇其波形的特點。該雷達的目標是選擇使其SCNR最大化的最佳波形。然后，我們設計最佳干擾信號，通過解決一個概率約束的優化問題來迷惑對手的認知雷達。最佳干擾信號使其功率最小，從而使雷達的SCNR以規定的概率低于閾值。為了解決由此產生的非凸優化問題，我們首先從觀測中估計發射和雜波信道脈沖響應，并使用信道脈沖響應的估計值來產生干擾信號。

認知型雷達在其目標脈沖響應和傳遞函數的方向上使其能量最大化。只要我們從脈沖中準確估計出目標信道的傳遞函數，我們就可以立即產生與信號相關的干擾，使目標回波無效。即使在我們自適應地進行估計后，雜波信道脈沖響應發生變化，因為目標信道在較長時間內是靜止的。因此，在我們結束估計后，信號依賴干擾將在幾個脈沖中成功工作。這種方法的主要收獲是，我們正在利用認知雷達通過優化與環境有關的波形來提供其信道信息的事實。

水下監視技術是在冷戰時期出現的。這項技術在解密并被學術界追捧后才有了眾多的進步。海事領域的一個進步是開發了無人潛航器（UUVs），它有能力提高作戰能力，同時減少對人類生命的風險。盡管這項技術后來已經商業化，但海軍對它的接受程度有限。它所取得的有限進展主要是由開發商和資助他們的政府推動的。然而，由于這項技術為軍隊提供了許多好處，它需要盡早被納入海軍。這基本上意味著，為了使海軍的使用/應用獲得更大的接受度，將這項技術整合到海軍中是至關重要的。反過來，這需要回答許多疑問，了解事實，以便對該技術及其潛力產生更大的信心。因此，我們討論了其中一些有助于解決知識差距的問題，以促進未來UUV技術在海軍中的接受和應用。雖然試圖提供全面的答案，但這些答案并不被認為是完整的，而只是一個辯論的出發點。就目前而言，技術是存在的；然而，正是由于缺乏想象力，才使其不能被使用。