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【情报综述】智能无人系统最新研究和应用综述

2020-01-09 20:12 性质:转载 作者:崔娟娟 赵 鹏马文静 杜 辉 来源:中国知网
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随着人工智能(AI)、技术的发展,以机器人、无人驾驶汽车和无人机为代表无人系统开始代替人类从事各种场景中简单或者复杂的工作。本文主要以机器人和无人机为应...

随着人工智能(AI)、技术的发展,以机器人、无人驾驶汽车和无人机为代表无人系统开始代替人类从事各种场景中简单或者复杂的工作。本文主要以机器人和无人机为应用对象分析无人系统的最新研究进展,包括机器人的智能程度,对环境的感知能力,自然信息的接收和处理能力,在工业、农业、医疗和军事等领域的最新应用情况。

引言:人工智能技术简称“AI”技术,即Artificial Intelligence技术,是人类大脑的机器延伸。纵观人类发展史上的所有发明创造以及技术创新,其实都是人类某个器官的延伸,比如汽车、火车等交通工具其实是对人类涉及运动的主要器官“腿”功能的延伸。望远镜是眼睛功能延伸,劳动机器如挖掘机、转载机等都是对手功能的延伸,虽然电脑似乎是人脑功能的延伸,确实电脑能够完成很多人类大脑的功能,比如计算能力、信息存储能力、但是电脑的功能还是相对比较简单,还不能像人类大脑一样对机体获取的各种信息进行处理,并且能够根据需要,有目的地进行某种操作,即人类电脑拥有自己的意识,而电脑则根本没有意识可言。“AI”技术的核心包括自主学习技术和神经网络技术,尤其是自主学习(即机器学习)能够实现机器人像人类一样自己学习某种新的技能或者技术。神经网络能够将信息处理中心将对信息处理结果传达给各种外延设备,执行某种操作。最终人工智能技术的进步能够代替现有的大多数人类劳动,极大地减轻人类的工作强度和工作时间,将人类匆繁琐繁重的工作中解放出来。下面将从无人机、无人驾驶车、智能无人工业生产场景三个方面分析当前无人系统的最新研究进展和应用。

1.无人机的研究和应用

1.1 航拍与遥感技术

无人航拍技术是比较简单,几乎是最早,也是当前应用最普遍的无人机应用场景之一。在多旋翼飞行器上安装一个可以遥控的高清摄像头,控制飞行器飞行到一定的高度,然后利用地面的摄像机控制系统就能够实现从高空对地面的拍摄。该系统涉及的两个关键技术包括高清相机的远程控制多旋翼飞行器的飞行控制,这两部分都会消耗电池电量,而且多旋翼飞行器功耗较大,当前的电池还不能满足多旋翼飞行器长时间飞行,只能进行短时间飞行和拍摄。另一个和航拍相似的是遥感测绘,传统遥感技术基本都是基于遥感卫星。由于卫星距与地面距离较远,导致拍摄照片空间分辨率差,重访周期长,地物特征不明显等缺点,尤其是对重点区域的识别能力较差,更不能满足对各种应急监控的有效需求。无人机遥感则完全不同,无人机能够在低空对地进行画面拍摄,低空无人机能够搭载相机,多光谱、激光雷达、热红外等多种遥感设备,尤其可以快速而且有效的获取地面照片,特别适合一些应急救灾、雾霾监测、农作物生长状况、地面植被覆盖、沙漠化治理监控等场景中。总之,具有体积小、便携性高、高度可控、随时监测、实时数据传输能力的无人机在航拍和遥感方面已经得到了广泛的应用,很好地弥补了航天遥感系统的缺陷。

1.2 无人机物流技术

到目前为止,航运仍然是速度最快、耗时最短的一种货物运送方式。但是相比铁路和公路运输,尤其是货物运输,航运成本要高很多。其中的一个重要原因在于能够执行飞行任务的人员尤其是熟练的飞行员数量非常有限,在保证客流运输的前提下很难保证货物的运输。但是相比较旅客运输,货物运输的安全性、舒适性、体验性要求低很多,一般只要能够保证货物完好的到达目的地就算完成了任务。随着无人机技术的发展,能够在某两个定点城市间开拓专门用于无人机货运的航线也相对比较容易,完成两个定点城市间货物的无人机运输成本就会降低很多。无人机物流也可以根据不同场景进行特色部署。在两个大城市间可以部署大的专线货运无人机,小城市间可以部署体积较小的无人机。尤其是当前电子商务快速发展带动快递物流业的凶猛发展形势下,快递数量迅速增长,但是在边远农村地区,人们居住比较分散,而且快递数量也较少,配备专门的快递员成本太高,无人机就能很好的完成,可以在每个农村设置一个固定快递接收点,比如村大队办公室等,将每个村子中少量的快递利用无人机直接送达。送快递的同时,也能够在这些边远农村接收快递,即将农民的农产品在网上直接销售。边远农村地区电子商务发展瓶颈问题可以利用无人机很好的解决。于此同时,也可以利用无人机进行邮政信件的寄送,也减轻了农村地区,特别是路况较差边远地区信件的递送困难。截止目前,已经有中国邮政、顺丰快递、圆通快递、中通快递、京东快递、韵达快递等快递企业进行了无人机物流应用研究。中国民航局2017年12月批准了京东物流在陕西省利用无人机开展快递配送试点工作,截止2018年10月底,京东快递已经在西北地区完成常态化飞行1.3万余次,飞行距离7.6万余公里,无人机开展快递配送工作基本能够完成,初步实现了无人机在市区范围内的快件配送。在国外,新加坡邮政、日本邮政、韩国邮政、德国邮政、法国邮政、瑞士邮政、英国皇家邮政等各个国家的邮政物流均开始研究无人机在物流领域的应用美国亚马逊研发的无人机Prime Air也能够完成快递的配送,只是最大载重只有2.2 kg,最大续航只有24 km,相比顺丰的XAIRWAY无人机,最大载重能够达10 kg,最大续航也有20 km,二者各有千秋。

1.3 无人机管道、线路巡检应用

输油管道、高压输电线、铁路轨道等这类线路很多都是在偏僻无人的旷野部署,尤其是高压输电线,很多都是在地形复杂的高山或者半山腰上。长距离主干输油线路也有很多都是部署在无人的旷野甚至无人区。这些线路的维护历来是一项难题,成本高、强度大、但是效果依然很差。在上述的三种管道线路中,无人机有着巨大的应用优势,搭载高清可见光相机的无人机能够对线路进行全方位地拍摄,并将拍摄的图片实时传输给地面工作人员,地面工作人员可以通过无人机拍摄的图像来判断线路的运行状况。在一些特殊场景中,巡检人员还可以利用遥控器对无人机进行控制,对个别需要认真监测的线路进行详细查看,或者对某些故障进行远距离分析,制定有效的维修方案。无人机可以极大的减轻高压电路巡检人员的劳动强度和效率。油气管道的巡检维修,要相对复杂一些,因为多少油气管道并不像电线一样裸露在空气中,而是深埋在地下,所以可见光相机并不是一定能够凑效。但是可在无人机上搭载激光或者电磁雷达,利用地下油气管道的反射特性来诊断管道的运行情况,同时也可以利用反射信号特性作为无人机的导航信息,即无人机能够很好地沿管道飞行,否则人为控制的无人机很难准确地沿管道飞行。根据雷达反射波特性,甚至可以利用管道周围地面的雷达反射波特征判断管道运行情况,因为油气管道巡检的主要任务就是管道破裂导致油气泄漏。同样,无人机也能够对某些偏远地区的铁轨线路情况进行巡检,保障火车的安全运行。

2.无人驾驶技术的应用

各类车辆,作为交通工具,在人们的生活中扮演极其重要的地位,完成物资运输、人员乘载、甚至农作物播种收割、道路清扫等。到目前为止,几乎所有的车辆都是由驾驶人员控制的,包括铁轨上行驶的火车。非商用的小型汽车中的定速巡航、自适应巡航也只能是辅助驾驶设备,各类车辆还不具备完全自助驾驶功能。无人驾驶车辆是将传统车辆与人工智能技术、传感技术、自动控制技术以及导航技术等多种现代技术相结合的产物。其核心部分包括环境感知、控制系统和定位导航三个部分。除此之外,为了保证无人驾驶汽车安全高效行驶,还需要安装车联网等系统。总之,无人驾驶车辆是一个综合的系统,包含了自动驾驶系统、自动泊车系统、传感器系统、堵车辅助系统等多个子系统。

自助驾驶技术的发展能够将各类车辆的驾驶人员解放出来,尤其是家庭私人小型车,不但能够极大地减轻汽车驾驶员驾车劳累程度,也能够减少道路交通安全事故,因为自主驾驶系统收益因素就是安全行驶。其次是某些危险场景中运行的车辆,比如2011年3月日本发生9级地震引发海啸后,福岛的两座核电反应电站中的一座发生泄漏。震后清理工作中,发生核电泄漏的电站附近的清理工作变得异常危险,无人驾驶车辆在该场景中应用就能够进一步减少人员参与,为震后各项工作带来便利。大型长途货运汽车驾驶是一项繁重而且危险的工作,长时间从事该项工作的人员不但需要承受职业病对身体的危害,同时也会接受长时间远离家人孩子的情感伤害,无人驾驶货运汽车能够将从事该工作的人员解放出来,从事其中对身体和情感危害较小的工作。

3.结语

本文对无人系统中的两个典型无人飞机和无人驾驶车辆在人类生产和生活中的应用做了浅析的分析,对无人系统的组成做了简要介绍。由此可知,由人工智能、5G无线通信技术的发展而催生的无人系统将会在人类生产以及生活各个领域推动技术进步,并且会代替人类从事部分危险、繁重、枯燥和危害性较大的工作。将人们从更多的工作中解放出来,从事更加健康,轻松的工作。    

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