【技术进展】DARPA寻求建立高可信度驾驶舱辅助系统

    未来，驾驶舱无人化可能是航空技术发展的趋势之一。然而，现阶段自主技术的发展和安全性水平还无法实现这样的功能。DARPA正在实施的一项名为“机组驾驶舱工作自动化系统（ALIAS）”的项目进展表明，将自主技术用于现役的有人驾驶飞机，可以达到降低机组人员工作负荷和提高安全性的目的，同时可使飞行员建立对自动化的信任，同时减少某些任务中机组人员的数量。
 

    一、ALIAS项目背景
 

    ALIAS项目的目标是研制一套可适应不同平台的自动化组件，可安装在现役的各型飞机上，以实现自主驾驶舱功能，减少机组人员。DARPA负责ALIAS项目的经理丹·派特说：“通过较少的机组人员以更高效的方式工作，可以解决军机机组人员培训不足的问题，为国防部节省大笔开支。”
 

    DARPA自主技术可以为飞机带来如下收益：

    高水平座舱自动化：适用于几乎所有的飞机，无论其航电是否先进

    提高安全性：实现一名飞行员操纵，在某些任务中减少机组人员

    感知系统：可以读出仪表读数，辅助飞行员操作程序

    联网的平板电脑：在空中和地面协同飞机控制
 

    派特说：“这个项目将使得飞机可以自己飞行，但并非一定要取消飞行员。ALIAS可以管理所有的基本操作程序，这样一来，飞行员就不必拨动开关，而是能够将其时间用在更加具有 生产力的工作上。”在一次监视飞行任务中，“飞行员可以考虑任务的内容和搜集到的信息，而不是管理驾驶杆和油门杆”。
 

    但是，ALIAS带给座舱的自主系统不仅仅限于军用飞机，其有着近期的应用和远期的影响。派特称，系统的元素可以在五年内实现转化应用，但是将商用飞机从两名飞行员削减为一名“任务司令员”要求修改条例，并且需要产生足够的数据证明它能够像数十年来一样或者更加安全。
 

    二、ALIAS项目的关键技术
 

    ALIAS的演示验证包括多项技术，这些技术可以为几乎所有的飞机带来自主性，即使是没有航电数据总线的飞机。这些技术包括用摄像头系统读出模拟仪表的读数、使用机械手臂移动控制杆、采用联网的平板电脑让地面和空中多用户协同控制飞机。
 

    派特称：“我们的愿景是自动化系统可以最终管理所有的低水平任务。同时，某些技术可以使得常规的机组操作更加安全。”他举了一个汽车行业的例子，自动驾驶汽车的安全性仍然是一个受到关注的问题，但是很多项技术都可以提高驾驶的安全性。
 

    三、目前进展
 

    极光飞行科学公司和西科斯基公司10月份分别进行了ALIAS项目的演示验证，结束了该项目第二阶段的工作。两家公司都将参与该项目第三阶段竞标。
 

    (一)极光公司开展的ALIAS项目演示验证
 

    在ALIAS项目中，极光公司研制了特色的感知系统。极光公司的感知系统具备监视仪表和向飞行员告警的能力，派特称其“是一种你可以想象的即将在座舱中安装的系统，提高安全性而不需要减少飞行员。”而ALIAS项目中该系统的远期形式则“是一种能够处理意外情况和对输入的各种复杂信息进行分类并将其过滤成人类容易理解的形式，这样的一种自动化系统。”

极光公司的演示验证在其位于弗吉尼亚州马纳萨斯市的总部进行，使用了DARPA提供的塞斯纳“大篷车”，用另一架“大篷车”进行地面演示，还用了贝尔UH-1直升机作为硬件在回路模拟器。该项目还使用了极光公司的可选有人驾驶的“半人马座”（用钻石公司DA42双活塞发动机飞机改装而成）飞机进行试飞。
 

    货运飞机“大篷车”来自一家匿名的商用飞机运营公司，进行了改装，在座舱右侧加装了感知系统。感知系统包含了四个摄像头，用于盯着仪器面板和监视仪表、开关盒控制按钮。该系统能够读出指针和开关的位置，并将其数字化，然后将这些飞机状态数据传送给ALIAS。
 

极光公司感知系统使用摄像头读出模拟仪表读数、监控控制器和开关，以确定飞机状态。
 

    取代右边座椅的是一个固定在底座上的作动器，它能够移动控制杆和脚蹬。还有一个六自由度的机械臂，它能够移动油门杆和放下襟翼。飞行员能够快速操控机械臂，机械臂的动作如果和飞行员的操作冲突，它自己也会撤回动作。
 

    一种正在开发但是没有在“大篷车”中实现的系统是语音识别系统，它能够让飞行员口头与ALIAS互动，就像和副驾驶互动一样。极光公司首席创新官John Tylko称：“它能够听取空中交通管制的讯息，并将其数字化传给系统，它能够听取飞行员指令并作出响应，就像副驾驶能够做到的那样。如果飞行员遗漏了某个步骤，它还会提醒。”
 

    极光公司开发的自主系统的关键，除了具备监视和告警功能的感知系统，更重要的是自主获得需要的驾驶飞机的知识，而且这些知识必须经过消化吸收以适应不同的平台。这包括了飞行动力学模型和飞行员手册中所有的正常和不正常状态的操作程序。派特称：“为无人机进行编程的困难在于要考虑到所有可能的状态。对于一架现有的飞机，所有情况都在手册中写明了，自主系统只需要学习就可以了。”
 

    极光公司的驾驶知识学习系统基于通用的模板，它利用了同类型飞机操作程序类似这个事实。以单发或双发飞机为例，“如果是单发、固定起落架飞机，我们不需要知道如何收回起落架。我们可以用很少的时间生成通用的飞行手册。”
 

    在“大篷车”地面演示中，这些知识就开始运用。经过了模拟的起飞之后，飞行员用平板电脑接入了ALIAS。机械臂移动抓取油门杆，系统接管了飞机。飞行员使用平板电脑发出转弯九十度的命令，系统读出仪表信息，机械臂移动油门杆向上以保持高度。
 

    其后，极光公司演示了自主系统如何能够帮助迷失方向的飞行员从不利的姿态中通过迅速把控制权交给ALIAS而稳定飞机至水平飞行状态。然后，通过模拟齿轮箱污染导致发动机失效演示了系统对于飞行手册中操作程序知识的掌握。演示过程为：感知系统“看”到了告警灯亮起，并观察了滑油压力表。手册中写道，如果压力保持在某个水平之上，则告警不严重。但是系统“看到”了滑油压力下降，并且低压告警灯亮起。ALIAS向飞行员发出警告，并将发动机故障的检查单调取出来显示在平板电脑上。飞行员确认了发动机故障，系统将油门杆拉回到空转状态，将飞机调整到最佳滑翔速度。然后飞行员执行了检查单，其上的一些任务派给了ALIAS。感知系统监视飞行员的行动和座舱的指示，以确认检查单的条目都完成了，如果有必要的话它还会提醒飞行员。
 

    极光公司称，“大篷车”、DA42和UH-1上演示的所有ALIAS硬件和软件都完全一样，显示了其在不同平台之间的可扩展性。
 

    (二)西科斯基开展的ALIAS项目演示验证
 

    作为极光公司竞争对手的西科斯基公司在ALIAS演示验证中使用了“西科斯基自主研究飞机”（SARA），这是一架改装成可选有人驾驶的S-76B。除此之外，西科斯基还利用了DARPA提供的一架“大篷车”和一个货车地面站。演示验证在西科斯基分公司AAG的总部纽约波基普西进行。演示验证的目标是展示飞行员可以在直升机上执行货运任务，然后将平板电脑安在“大篷车”的仪表面板上，使用相同的硬件和软件也可执行货运任务。另外一名机组成员在两次飞行中都作为安全飞行员随飞。
 

西科斯基公司的ALIAS演示验证中使用了S-76B改装成的可选有人驾驶飞机SARA和一架DARPA提供的“大篷车”。
 

    SARA在西科斯基MATRIX技术自主性项目中改装成电传系统，代表了ALIAS应用谱的另一端。DARPA提供给西科斯基的“大篷车”同提供给极光公司使用的来自同一家商用飞机运营商，但西科斯基的改装朝着另一个方向进行，即将飞机原有的自动驾驶仪作动器作了修改，使之可以与系统协同工作。

 

    演示验证模拟了一次货运任务。西科斯基自主项目主管Igor Cherepinsky称，这是最简单的任务之一。运行的概念是建立“单一大座舱”，地面和机组作为一个团队工作，使用相同的平板电脑，联成网络，通过自主系统来共同管理飞机。SARA能够以完全无人的方式飞行，具有全权限数字式飞行控制系统和三余度自主任务管理器。“大篷车”有两个任务管理器。Cherepinsky称，因为ALIAS通过“大篷车”原有的自动驾驶仪伺服器来操纵它，其飞行控制权限限制在50%-80%。高性能的计算硬件有区别，但是两种飞机运行的软件完全相同。
 

    西科斯基S-76B SARA和塞斯纳“大篷车”上的作动系统不同，控制律也修改过，但是自主系统软件完全一样。
 

    在SARA上，飞行员通过膝上平板电脑操纵飞机。任务通过触屏进行规划，任务分配给飞行员、地面操作员和ALIAS。右边窗边安装的六自由度空间鼠标可以让飞行员调整飞机的位置，使着陆段的操作更加轻松，但是命令仍旧通过自主系统来执行。当一项任务或者命令输入时，以及在整个飞行过程中，飞行路径规划系统自动地通过SARA机载激光雷达检查前方是否有障碍物。通过自主任务管理器设置的约束，系统可以自动调整飞行计划以避免碰撞。
 

飞行员通过平板电脑控制SARA。同样的平板电脑也用于装备了ALIAS的“大篷车”。
 

    任务规划根据目标点建立。Cherepinksy称：“空间中每个点都被分配了一个目标。”自主系统知道可以偏离那个目标多大程度而仍然可以完成任务。“如果你告诉它‘着陆’，但是它无法执行，它会提示操作员；如果你告诉它‘就近着陆’，而它做不到，它就会找到一个合适的地点，然后告诉操作员‘如果没有别的指令，我将在此着陆’”。
 

    在演示验证中，SARA由人工操作滑行出来。地面站命令起飞，S-76B自主飞到40英尺悬停，然后激光雷达开始扫描，在平板电脑上生成威胁地图，会发生碰撞的地形部分显示为红色。然后，Cherepinsky展示了如何在地面用平板电脑通过点击地图来改变直升机的位置。
 

    平板电脑通过WIFI连接到地面站，通过地面站连接到飞机，使用了可调节的天线并采用了商用通信链路。Cherepinsky称，“我们用了数据链加密。”为了共享激光雷达数据，需要用到高容量的链路。命令占了较少的带宽，SARA可以使用低速率的铱星卫星通信链路超视距控制。
 

    通过网络，飞行员的平板电脑显示命令，如同其他用户输入的一样。他可以按下“执行”按钮来确认变更，或者按下“终止”来拒绝。飞机的控制权是口头交接的，因为美国陆军执行货运任务时就是这样做的。
 

    在起飞之后，飞行员不需要触碰控制界面。Cherepinsky称：“ALIAS可以全面接管飞机。”着陆之后，人工操纵飞机返回停机坪，机组转移到“大篷车”上，在人工操纵起飞之后，控制权又交给了ALIAS平板电脑。
 

    Cherepinsky说，由于SARA属于西科斯基既有资产，“大篷车”被用来演示技术的可移植性，“展示我们在两个月内可以做出什么”。在两架飞机之间，“展示了我们如何能够提供一系列的应用，而不仅仅采用了全方位的方法。”
 

    按照ALIAS的指令，“大篷车”演示了没有自动驾驶仪的飞机所需要的机器人控制。演示过程中，用安装基座上的一个机电作动器驱动一个卡爪，它能够抓住和移动油门杆。同时另一个按照自主系统的控制来移动襟翼。
 

    西科斯基没有把重点放在机器人系统上，而在“大篷车”的座舱中安装了摄像头，来搜集数据，以开发读出模拟仪表和开关的能力，同时正在研究声音识别技术。由UTC航宇系统公司研制的激光雷达和短波红外线传感器安装用来引入防撞功能。
 

    西科斯基的ALIAS实现概念涵盖了“分布式解决方案”和“集成式解决方案”。分布式方案提供了高可靠的、可容忍航迹偏离的“随时在线”的增强功能，但是需要在机体的几个地方进行修改。集成式方案的所有系统都在驾驶舱中。采用分布式方案，需要200小时或者更多的时间来对每架飞机进行改装，以及大约一年的时间来让ALIAS适应新平台。集成式方案可以快速适应和快速改装，在一天到一周的时间内就能完成，但是仅仅能够提供“类自动驾驶仪”的可靠性，并且不是全权限的。Cherepinsky称，“大篷车”介于两者之间。
 

    四、下一步计划
 

    目前，极光和西科斯基两家公司都提交了ALIAS项目第三阶段的竞标书。第三阶段将使选定的技术成熟化，包括在另一个不同的平台上试飞。派特称，DARPA还拥有一个技术转化伙伴，其名称仍未公开。
 

    极光公司的竞标方案关注了感知和声音识别，而不是机器人作动。公司总裁兼首席运营官Mark Cherry称，“我们认识到行业准备接受什么。在近期，飞行员还没有为机器取代人作动做好准备。他们准备好了接受感知、检查、声音识别和读回检查单”。
 

    西科斯基的第三阶段策略关注了向外场转移以及资格取得（空中地面混合决策）。Cherepinsky称，关注的技术会持续取得进展，并且集中在附加的智能、规划和人机接口能力上。

派特称，ALIAS演示验证的技术对于更加鲁棒的驾驶舱自动化是很关键的，并且，长期看来，将对人和飞机的交互方式产生基础性改变。虽然一下子形成趋势是困难的，但是将这项技术引入飞机将会是一条途径。“可以明确的是，未来单人机组或自主飞行飞机的驾驶舱和现在相比会有彻底的变化”。

                                                                                                                                                                                                                       （航空研究院 孙友师、王元元）