【科技动向】美国防高级研究计划局、陆军和西科斯基公司进行可选有人驾驶直升机的飞行演示验证

2018年10月17日，美国防部国防高级研究计划局（DARPA）、美陆军和西科斯基公司成功进行了可选有人驾驶直升机的飞行演示验证，技术成果将显著降低飞行员的认知负担，提高作战能力和飞行安全。

SARA试验机（美国防部国防高级研究计划局图片）

项目简介

本次试验是DARPA“机器人辅助驾驶”（ALIAS）项目第三阶段研究的一部分。ALIAS项目的核心目的是通过人机接口在有人机上应用无人机领域的最新成果。这种接口可让人类飞行员与拥有自主能力的计算机进行流畅的互动。简单说，ALIAS项目不是打算替代人类飞行员，而是给予他们一个计算机副驾驶，通过按一个按钮便可接管日常任务。

项目所设想的理想状态是形成所谓的“人机编队”，这可同时获得人类和机器最擅长的能力，让人类关注与任务规划、军事战术和其他计算机不能很好处理的充满歧义和未知的复杂问题。同时，机器可以保证人类飞行员不会因为失误或者分心造成不良后果。例如，目前“可控飞行撞地”（CFIT）仍是造成致命坠机的最主要原因，因为人类不太擅长持续不断的关注物理细节，而这却是机器所擅长的；再如，逆风悬停是十分消耗飞行员精力的任务，但对于计算机来说却很容易。这意味着飞行员可极大缓解认知负担，更好地执行作战任务。

西科斯基公司通过一架经过改装的货架商用直升机，即S-76B“西科斯基自主研究直升机”（SARA）执行ALIAS项目。SARA已进行了数年的飞行试验，积累了超过300小时的自主飞行时间，并正在对技术进行优化。另外，西科斯基公司把SARA的自主系统命名为MATRIX，其没有什么特定含义，只是听起来很好听而已。该系统由软件和硬件组成，可确保直升机的自主飞行。这种可选有人驾驶直升机可在执行低风险任务时让电脑控制飞行，如在本方空域执行补给、伤员后送，而在乘坐1-2名飞行员的情况下进入战区遂行侦察等任务。

DARP A于2017年1月授予西科斯基公司ALIAS项目第三阶段合同，目标是把该技术转移到美陆军的UH-60“黑鹰”直升机上。2016年实施的项目第二阶段仅仅验证了ALIAS平面电脑界面，而第三阶段引入了“飞行控制器”。“飞行控制器”将用来确保飞行员与MATRIX系统建立快速的交互。由于增加了“飞行控制器”，这需要让MATRIX系统拥有更加快速的行动和任务规划算法。

ALIAS平板电脑界面（美国西科斯基飞机公司图片）

试验过程

从安全角度考虑，SARA在试验中配有若干经过高度训练的飞行员，而未来这些飞行员可能不会上机。本次飞行验证了各种自主飞行模式，如全自主飞行、人类飞行员和ALIAS系统共同飞行、人类飞行员通过“飞行控制器”飞行等。

在进入驾驶舱前，陆军飞行员使用ALIAS模拟器了解了任务计划。该模拟器可帮助降低任务规划准备时间，预先对机动动作进行排练。而在历时一小时的飞行验证中，陆军飞行员通过创新的飞行控制器和ALIAS平板电脑与MATRIX自主系统联合执行了一系列真实任务（这套系统他是三天前刚刚接触的），例如低空飞行、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（SARA越过一小拨人群，在避开一辆汽车后再附近的地面着陆，然后稳定的悬停了几分钟）。另外，试验过程中陆军飞行员多次在驾驶舱控制直升机和在地面控制直升机之间进行了切换。

在模拟器上进行试验（美国西科斯基飞机公司图片）

DARPA项目经理格拉汉姆•多泽斯基认为：“这真的像一个副驾驶。它可以处理日常任务、可以进行任务规划、可以执行紧急程序。”西科斯基公司自主业务主管伊戈尔·切雷宾斯基则表示：“在之前的试验中，一名不会驾驶飞机的人在经过45分钟的培训后可以控制直升机起飞和运行接近一个小时。”而执行验证任务的陆军飞行员表示，随着自主系统变得越来越普遍，机载系统可以接管传统副驾驶的职责。陆军把这种称为“任务自适应自主”。飞行员需要飞机自己飞行并避障，让他们更加聚焦于任务。但是飞行员可以与系统进行实时交互以在空中进行重新规划、重新调整。

西科斯基公司认为SARA验证了四种关键能力：

——自动起飞和着陆：直升机自动起飞，飞向目的地并自动降落

——避障：直升机的激光雷达和摄像机使其可以检测和绕开未知的物体，例如电线、塔和运动的飞行器等

——自动选择着陆区：直升机的激光雷达可以选择安全的着陆区

——等高线飞行：直升机贴近地面和树梢飞行

而DARPA认为ALIAS技术的亮点包括：

——可安装在各种军民用固定翼和旋翼平台上

——通过在驾驶舱显示和人机接口降低飞行员的工作负担或者降低飞行员数量并提高飞行的安全性

——全面覆盖典型的机组人员任务和应急程序

——能够直接与现有的飞机平台、子系统和任务有效载荷集成

——系统拥有冗余设计和软件保障设计

——拥有在现役飞机上快速集成最新应用的能力，包括第三方算法和应用

技术途径

西科斯基公司在可选有人驾驶领域已开展多年工作，但切雷宾斯基强调他们的计算机副驾驶不是人工智能。至少不是目前普遍认为的人工智能。

为什么？最新的机器学习算法可通过大量数据产生惊人的洞察力，但也可得出错误的结论。在社交媒体上，人工智能出错可能并没有什么，但是在军事领域，人工智能出错可让机器错误地分辨平民和目标（虽然这对于人类来说也很困难），或者驾驶飞行器撞山。而更为糟糕的是，从工程的角度来看，无论人工智能是对还是错，人类都不可能理解它们是如何得出这种结论的。

因此，西科斯基公司故意使用了老派的“确定性”软件（给定的输入总会产生相同的输出），机器可预测的行为将使人类建立对它们的信任，向它们提交严格的安全认证协议。

切雷宾斯基团队还故意将计算机副驾驶设计为至少部分开放。不像传统的自动驾驶仪那样只能选择打开或关闭，MATRIX系统时刻对人类飞行员进行检查，甚至在全部由人类驾驶的时候，如果计算机检测到即将撞山，那么其将接管飞机的控制权。人类飞行员可以综合考虑任务、环境、舒适程度，让计算机在任何时刻承担更多或更少的任务。

飞行时，飞行员仅需要在ALIAS平板电脑屏幕上发出一些基本指令，例如起飞、向那儿飞、在这儿降落等，机载电脑便可自己执行上述指令。在模拟运货或营救伤员的过程中，地面上的负责人也可以通过平板电脑向直升机发出指令，而机载计算机可以对来自地面负责人和飞行员的指令进行调解。甚至当受过训练的飞行员想要更加精确的输入，而不是用双手和双脚控制传统的直升机，他们仅仅使用类似操纵杆的“飞行控制器”便可给计算机发出指令，后者把指令转换为特定的控制调整。

最新的MATRIX系统可以通过“飞行控制器”实现多种等级的控制，如重规划、全自主任务、飞行期间动态重规划、实施控制等。飞行员可以和MATRIX系统交互，修改几分钟之前规划好的飞行路径，自主系统将调整以实现任务目标。直升机的纵向控制和空速通过“飞行控制器”右侧杆进行，而Z轴（垂直）和偏航控制通过左侧杆进行。西科斯基公司飞行员马克·沃德说：“可通过预编程的MATRIX系统自主开展任务，然后通过“人在环上”修改计划，使用左手或右手更新X、Y和Z轴的运动。”多泽斯基表示，人类与机器进行这种程度的交互是4年前无法想象的。

未来转化

多泽斯基表示，这个月的试验是陆军的飞行员首次飞行安装MATRIX系统的直升机。而获得他们的反馈是这次试验的主要目的。DARPA和西科斯基公司希望这项研究工作可以为固定翼飞机和直升机设计出一种适应性强的自主套件。

2018年，MATRIX系统将在西科斯基自己的UH-60A上进行飞行试验，2019年将在美国军事基地进行两个任务演示验证试验。另外，陆军已经和DARPA达成协议，将在前者的UH-60M直升机上安装MATRIX系统。另外，西科斯基公司目前也在忙于向其S-92商用直升机转化经过验证的自主能力。DARPA表示，ALIAS项目转化工作将持续到2020年以后，而更加长远的规划是在设计下一代侦察和攻击直升机的开始便考虑可选有人驾驶方案。

本条动向的提供者袁成先生已为《空天防务观察》提供7篇专栏文章，如下表：

序号

篇名

发表日期

美国国防高级研究计划局发展创新的近距空中支援技术

2016年2月29日

刀尖上的新舞者——美国防高级研究计划局航空航天专项办公室分析

3月11日

美国防高级研究计划局2015年航空领域科技项目分析

4月27日

美国防高级研究计划局“小精灵”空中群射/回收无人机项目分析

10月11日