美国防高级研究计划局“驾驶舱内自动化系统”项目分析

转自远望智库装备参考2019年7月8日

作者:袁成 来源:空天防务观察

2015年,美国防高级研究计划局(DARPA)启动了“驾驶舱内自动化系统”(ALIAS)项目,旨在让自动化系统接管基础飞行操作,降低人类作战负荷,提高任务能力和飞行安全,减少飞行员的培训周期和规模,节省培训和工资成本。目前,ALIAS项目在实施了43个月后,已成功实现预期目标,即将向军种转化。根据DARPA预算文件,该项目总共获得了8951.5万美元经费。

        一、项目要求        

根据招标书文件,ALIAS项目将发展一种可定制、嵌入式的自动飞行系统,并能通过人机接口与飞行员流畅互动。未来,飞行员将仅关注任务规划、军事战术等复杂问题,而ALIAS系统将完成起飞、巡航、避障、降落等飞行操作,另外也能纠正飞行员的失误、与人类协商规划飞行方案。

ALIAS项目构想图(DARPA图片)

DARPA要求:ALIAS系统必须在一个月之内嵌入到全新战机,或在一天之内集成至现役战机;可安装在80%的军用固定翼和旋翼平台以及相关民用平台;全面覆盖典型的飞行任务和应急程序;拥有冗余设计和软件保障设计;可在现役飞机上快速集成最新应用,包括第三方算法。

项目有三个关键技术领域:一是尽可能减少ALIAS系统嵌入飞机复杂程度,以加速自动化技术的研发与使用;二是获取飞机操作知识,使系统快速嵌入不同平台;三是发展流畅的人机接口,使飞行员能快速进行任务监控和重规划。

项目分三个研发阶段:第一阶段开展概念设计,并在地面飞行模拟器上验证系统架构;第二阶段将成熟和丰富第一阶段的成果,增强人机界面的可用性和鲁棒性,以及地面演示系统的可靠性,以支持飞行试验;第三阶段将开展包括从起飞、着陆、出现紧急状况在内的全自动化飞行演示,并验证系统移植到其他飞机上的能力。

        二、发展历程和设计方案        

2015年1-3月,DARPA分别授予西科斯基飞机公司(经费800万美元)、极光飞行科学公司(经费600万美元)、洛·马公司第一阶段合同。同年8月,西科斯基飞机公司(经费2274.6633万美元,其中公司自筹758.1453万美元,DARPA提供1516.518万美元)和极光飞行科学公司获得第二阶段合同。在该阶段,美国航空航天局、空军、陆军和海军都表达出对ALIAS系统的兴趣。2016年12月,DARPA最终授予西科斯基飞机公司3570万美元的第三阶段合同。2019年9月30日前,项目将按预期完成全部目标。以下介绍极光飞行科学公司和西科斯基飞机公司的技术方案和试验情况。

    1.极光飞行科学公司    

极光飞行科学公司的ALIAS系统包括控制系统、视觉感知系统、语音交互系统、一台安装在副驾驶位置上的机械臂、先进平板电脑以及一套飞机操控知识的获取流程。感知系统包含四个摄像头,用于读取仪器面板和监视仪表的数值,以及开关控制按钮的位置,然后将这些信息数字化并传送给控制系统。机械臂拥有六自由度,可在控制指挥下像人类一样操纵飞机,包括使用驾驶杆、杆盘、方向舵脚蹬和油门杆等。飞行时,飞行员通过平板电脑为控制系统下指令,机械臂的动作如果和飞行员的操作冲突,可自动撤回。除了通过平板电脑,飞行员也可通过语音与ALIAS系统交互,后者会向前者提醒操作失误和警告意外情况。

极光飞行科学公司ALIAS项目方案

在项目第一阶段,极光飞行科学公司的ALIAS系统成功在钻石DA-42固定翼飞机的模拟器和实机上开展了试验。项目第二阶段,公司把ALIAS系统安装到DARPA提供的赛斯纳“凯旋”(旧译“大篷车”)固定翼飞机上,验证了系统的多平台适应性,并在飞行员的监控下完成了基础飞行机动。之后,公司开展了把ALIAS系统集成到贝尔直升机公司UH-1直升机和波音公司737飞行模拟器上的工作。

    2.西科斯基飞机公司    

西科斯基飞机公司的ALIAS系统基于其2013年自筹经费发展的“西科斯基自主性研究飞机”(SARA)项目。SARA项目改装了一架S-76B商用直升机,加装了飞行控制系统、电传伺服控制系统、激光雷达和摄像机,旨在极大提升直升机的飞行性能、可靠性和安全性。在ALIAS项目中,该公司并未在驾驶舱中设计机械臂,而是把操纵机构植入于机体内部。另外在项目每一阶段,其都会对ALIAS系统进行改进升级,以实现更加精确的操控和便捷的人机交互。

SARA试验机(美国西科斯基飞机公司图片)

在项目第一阶段,ALIAS系统可利用数据库和传感器提供的态势感知数据,在与飞行员通过平板电脑交互后,自动完成任务规划和飞行控制。飞行过程中,飞行员还可通过安装在右窗边的六自由度空间鼠标调整飞行器的位置。另外,地面人员也可使用平台电脑控制S-76B。值得注意的是,西科斯基飞机公司的ALIAS系统并未使用目前流行的人工智能算法,而是刻意使用了传统的“确定性”软件(相同输入总会输出同一结果),以提高系统的可靠性和飞行员对其的信任程度。2016年6月,公司成功在S-76B上验证了ALIAS系统的自动化能力,飞行了48.3千米,ALIAS系统主要负责控制飞行方向。

ALIAS平板电脑界面(美国西科斯基飞机公司图片)

在项目第二阶段,西科斯基飞机公司在多型固定翼飞机和直升机机体内部和驾驶舱地板下安装了ALIAS系统,与原有的机械、电子和检测系统完成了快速连接。同时,在驾驶舱中安装了摄像头以读取仪表数据和开关位置,还配装了UTC航宇系统公司的激光雷达和短波红外线传感器。在该阶段,公司在两架塞斯纳固定翼飞机、一架钻石DA-42固定翼飞机和一架S-76B直升机上成功开展了飞行验证。

在项目第三阶段,西科斯基飞机公司为ALIAS系统引入了一套类似操纵杆的“飞行控制器”,通过与平板电脑配合使用,可快速实现多种类型的精确控制,如飞行期间动态重规划等。“飞行控制器”右侧杆可操作纵向运动和空速,而垂直和偏航控制通过左侧杆进行。2018年10月,美陆军、DARPA和西科斯基飞机公司成功开展了ALIAS系统的飞行演示验证,陆军飞行员认为其显著降低了认知负担,提高了作战能力和飞行安全。在一小时的飞行验证中,飞行员执行了一系列真实的任务(飞行员仅接触该系统三天),如低空飞行、在受限区域起飞和降落、降落地点选择、航迹规划、避开电线等。飞行员通过平板电脑向ALIAS系统发出一些基本指令,如起飞、向那儿飞、在这儿降落等,并使用“飞行控制器”输入更加精确的控制。最后,陆军人员还在驾驶舱控制直升机和地面控制直升机之间进行了多次切换。

美陆军人员在模拟器上进行试验(美国西科斯基飞机公司图片)

目前,西科斯基飞机公司使用ALIAS系统改装了一架UH-60A,并计划在2019年秋进行飞行试验。美陆军也正使用项目成果改进一架最新的UH-60M,计划于2020年1月首飞,2020年5月验证ALIAS系统。2019年5月,DARPA表示ALIAS系统将植入一架美空军国民警卫队的F-16第30批次战斗机,并预计在三年内进行飞行试验;而DARPA更加长远的规划是在美军下一代侦察和攻击直升机的设计之初便考虑融入ALIAS系统。

        三、项目影响        

ALIAS项目解放了飞行员基础驾驶任务,极大改变了人类和飞行器的交互方式,将在军民用航空领域产生较大影响。

在军用航空方面,鉴于ALIAS系统极短的装机周期、极强的机型适应能力,以及各军种对其表现出的兴趣,可预期美军大部分战机近期便可拥有自动化驾驶的能力。这不仅降低了飞行员的飞行负担,使其更加专注于作战,还拥有可避免因低级失误造成机毁人亡、大幅缩短飞行员培训周期、使新手飞行员能执行复杂任务、可全面提升美空中力量作战水平等优势。在远期,美军有人战机在植入ALIAS系统实现自动化飞行的基础上,还可使用DARPA在研的“分布式作战管理”、“对抗环境强韧同步规划和评估”等项目的成果,进而从打击效果投送平台转变为空中战场的决策和指控节点,为DARPA设想的未来分布式空中作战奠定基础。

在民用航空方面,目前城市空中运输是全球发展热点,而这种任务的需求与ALIAS系统具备的自动化飞行能力强、培训时间短、飞行安全性突出等特点十分吻合。另外,由于ALIAS系统未采用人工智能算法,因此不会出现人类难以预料的控制结果,极大增强了普通民众对飞行器的信任程度。因此,西科斯基飞机公司认为ALIAS系统是其进军城市空中运输市场的关键。除此之外,ALIAS系统还可在近海油气保障、紧急医疗服务以及搜索救援等各种任务领域发挥重要作用,全面塑造未来民用航空的发展态势。