【科技動向】美國防高級研究計劃局、陸軍和西科斯基公司進行可選有人駕駛直升機的飛行演示驗證

2018年10月17日，美國防部國防高級研究計劃局（DARPA）、美陸軍和西科斯基公司成功進行了可選有人駕駛直升機的飛行演示驗證，技術成果將顯著降低飛行員的認知負擔，提高作戰能力和飛行安全。

SARA試驗機（美國防部國防高級研究計劃局圖片）

項目簡介

本次試驗是DARPA“機器人輔助駕駛”（ALIAS）項目第三階段研究的一部分。ALIAS項目的核心目的是通過人機接口在有人機上應用無人機領域的最新成果。這種接口可讓人類飛行員與擁有自主能力的計算機進行流暢的互動。簡單說，ALIAS項目不是打算替代人類飛行員，而是給予他們一個計算機副駕駛，通過按一個按鈕便可接管日常任務。

項目所設想的理想狀態是形成所謂的“人機編隊”，這可同時獲得人類和機器最擅長的能力，讓人類關注與任務規劃、軍事戰術和其他計算機不能很好處理的充滿歧義和未知的複雜問題。同時，機器可以保證人類飛行員不會因爲失誤或者分心造成不良後果。例如，目前“可控飛行撞地”（CFIT）仍是造成致命墜機的最主要原因，因爲人類不太擅長持續不斷的關注物理細節，而這卻是機器所擅長的；再如，逆風懸停是十分消耗飛行員精力的任務，但對於計算機來說卻很容易。這意味着飛行員可極大緩解認知負擔，更好地執行作戰任務。

西科斯基公司通過一架經過改裝的貨架商用直升機，即S-76B“西科斯基自主研究直升機”（SARA）執行ALIAS項目。SARA已進行了數年的飛行試驗，積累了超過300小時的自主飛行時間，並正在對技術進行優化。另外，西科斯基公司把SARA的自主系統命名爲MATRIX，其沒有什麼特定含義，只是聽起來很好聽而已。該系統由軟件和硬件組成，可確保直升機的自主飛行。這種可選有人駕駛直升機可在執行低風險任務時讓電腦控制飛行，如在本方空域執行補給、傷員後送，而在乘坐1-2名飛行員的情況下進入戰區遂行偵察等任務。

DARP A於2017年1月授予西科斯基公司ALIAS項目第三階段合同，目標是把該技術轉移到美陸軍的UH-60“黑鷹”直升機上。2016年實施的項目第二階段僅僅驗證了ALIAS平面電腦界面，而第三階段引入了“飛行控制器”。“飛行控制器”將用來確保飛行員與MATRIX系統建立快速的交互。由於增加了“飛行控制器”，這需要讓MATRIX系統擁有更加快速的行動和任務規劃算法。

ALIAS平板電腦界面（美國西科斯基飛機公司圖片）

試驗過程

從安全角度考慮，SARA在試驗中配有若干經過高度訓練的飛行員，而未來這些飛行員可能不會上機。本次飛行驗證了各種自主飛行模式，如全自主飛行、人類飛行員和ALIAS系統共同飛行、人類飛行員通過“飛行控制器”飛行等。

在進入駕駛艙前，陸軍飛行員使用ALIAS模擬器瞭解了任務計劃。該模擬器可幫助降低任務規劃準備時間，預先對機動動作進行排練。而在歷時一小時的飛行驗證中，陸軍飛行員通過創新的飛行控制器和ALIAS平板電腦與MATRIX自主系統聯合執行了一系列真實任務（這套系統他是三天前剛剛接觸的），例如低空飛行、在受限區域起飛和降落、降落地點選擇，航跡規劃、避開電線等（SARA越過一小撥人羣，在避開一輛汽車後再附近的地面着陸，然後穩定的懸停了幾分鐘）。另外，試驗過程中陸軍飛行員多次在駕駛艙控制直升機和在地面控制直升機之間進行了切換。

在模擬器上進行試驗（美國西科斯基飛機公司圖片）

DARPA項目經理格拉漢姆•多澤斯基認爲：“這真的像一個副駕駛。它可以處理日常任務、可以進行任務規劃、可以執行緊急程序。”西科斯基公司自主業務主管伊戈爾·切雷賓斯基則表示：“在之前的試驗中，一名不會駕駛飛機的人在經過45分鐘的培訓後可以控制直升機起飛和運行接近一個小時。”而執行驗證任務的陸軍飛行員表示，隨着自主系統變得越來越普遍，機載系統可以接管傳統副駕駛的職責。陸軍把這種稱爲“任務自適應自主”。飛行員需要飛機自己飛行並避障，讓他們更加聚焦於任務。但是飛行員可以與系統進行實時交互以在空中進行重新規劃、重新調整。

西科斯基公司認爲SARA驗證了四種關鍵能力：

——自動起飛和着陸：直升機自動起飛，飛向目的地並自動降落

——避障：直升機的激光雷達和攝像機使其可以檢測和繞開未知的物體，例如電線、塔和運動的飛行器等

——自動選擇着陸區：直升機的激光雷達可以選擇安全的着陸區

——等高線飛行：直升機貼近地面和樹梢飛行

而DARPA認爲ALIAS技術的亮點包括：

——可安裝在各種軍民用固定翼和旋翼平臺上

——通過在駕駛艙顯示和人機接口降低飛行員的工作負擔或者降低飛行員數量並提高飛行的安全性

——全面覆蓋典型的機組人員任務和應急程序

——能夠直接與現有的飛機平臺、子系統和任務有效載荷集成

——系統擁有冗餘設計和軟件保障設計

——擁有在現役飛機上快速集成最新應用的能力，包括第三方算法和應用

技術途徑

西科斯基公司在可選有人駕駛領域已開展多年工作，但切雷賓斯基強調他們的計算機副駕駛不是人工智能。至少不是目前普遍認爲的人工智能。

爲什麼？最新的機器學習算法可通過大量數據產生驚人的洞察力，但也可得出錯誤的結論。在社交媒體上，人工智能出錯可能並沒有什麼，但是在軍事領域，人工智能出錯可讓機器錯誤地分辨平民和目標（雖然這對於人類來說也很困難），或者駕駛飛行器撞山。而更爲糟糕的是，從工程的角度來看，無論人工智能是對還是錯，人類都不可能理解它們是如何得出這種結論的。

因此，西科斯基公司故意使用了老派的“確定性”軟件（給定的輸入總會產生相同的輸出），機器可預測的行爲將使人類建立對它們的信任，向它們提交嚴格的安全認證協議。

切雷賓斯基團隊還故意將計算機副駕駛設計爲至少部分開放。不像傳統的自動駕駛儀那樣只能選擇打開或關閉，MATRIX系統時刻對人類飛行員進行檢查，甚至在全部由人類駕駛的時候，如果計算機檢測到即將撞山，那麼其將接管飛機的控制權。人類飛行員可以綜合考慮任務、環境、舒適程度，讓計算機在任何時刻承擔更多或更少的任務。

飛行時，飛行員僅需要在ALIAS平板電腦屏幕上發出一些基本指令，例如起飛、向那兒飛、在這兒降落等，機載電腦便可自己執行上述指令。在模擬運貨或營救傷員的過程中，地面上的負責人也可以通過平板電腦向直升機發出指令，而機載計算機可以對來自地面負責人和飛行員的指令進行調解。甚至當受過訓練的飛行員想要更加精確的輸入，而不是用雙手和雙腳控制傳統的直升機，他們僅僅使用類似操縱桿的“飛行控制器”便可給計算機發出指令，後者把指令轉換爲特定的控制調整。

最新的MATRIX系統可以通過“飛行控制器”實現多種等級的控制，如重規劃、全自主任務、飛行期間動態重規劃、實施控制等。飛行員可以和MATRIX系統交互，修改幾分鐘之前規劃好的飛行路徑，自主系統將調整以實現任務目標。直升機的縱向控制和空速通過“飛行控制器”右側杆進行，而Z軸（垂直）和偏航控制通過左側杆進行。西科斯基公司飛行員馬克·沃德說：“可通過預編程的MATRIX系統自主開展任務，然後通過“人在環上”修改計劃，使用左手或右手更新X、Y和Z軸的運動。”多澤斯基表示，人類與機器進行這種程度的交互是4年前無法想象的。

未來轉化

多澤斯基表示，這個月的試驗是陸軍的飛行員首次飛行安裝MATRIX系統的直升機。而獲得他們的反饋是這次試驗的主要目的。DARPA和西科斯基公司希望這項研究工作可以爲固定翼飛機和直升機設計出一種適應性強的自主套件。

2018年，MATRIX系統將在西科斯基自己的UH-60A上進行飛行試驗，2019年將在美國軍事基地進行兩個任務演示驗證試驗。另外，陸軍已經和DARPA達成協議，將在前者的UH-60M直升機上安裝MATRIX系統。另外，西科斯基公司目前也在忙於向其S-92商用直升機轉化經過驗證的自主能力。DARPA表示，ALIAS項目轉化工作將持續到2020年以後，而更加長遠的規劃是在設計下一代偵察和攻擊直升機的開始便考慮可選有人駕駛方案。

本條動向的提供者袁成先生已爲《空天防務觀察》提供7篇專欄文章，如下表：

序號

篇名

發表日期

美國國防高級研究計劃局發展創新的近距空中支援技術

2016年2月29日

刀尖上的新舞者——美國防高級研究計劃局航空航天專項辦公室分析

3月11日

美國防高級研究計劃局2015年航空領域科技項目分析

4月27日

美國防高級研究計劃局“小精靈”空中羣射/回收無人機項目分析

10月11日