小型無人機(jī)自主飛行控制技術(shù)的研究

摘 要：當(dāng)前，世界各國都加強(qiáng)了對于無人機(jī)的研究，這主要在于無人機(jī)有效地擺脫了人承受能力的束縛，可以在一些特殊的環(huán)境中和不確定的對象下執(zhí)行高危險的任務(wù)。本文首先闡述了無人機(jī)自主控制技術(shù)的發(fā)展需求，然后深入分析了小型無人機(jī)自主控制的關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)一步探討了我國無人機(jī)自主控制層級的發(fā)展，最后對小型無人機(jī)自主控制的未來研究方向做了展望。

關(guān)鍵詞：小型無人機(jī)；自主飛行控制技術(shù)；自主控制層級

中圖分類號：V249

無人駕駛飛機(jī)具備一定的驅(qū)動動力，可以自主控制，能夠攜帶多種任務(wù)設(shè)備，開展諸如軍事、氣象、測繪等多種任務(wù)，可以重復(fù)使用的無人飛行器，通常我們稱作“無人機(jī)”。最初的無人機(jī)只能通過簡單的遙控和程序進(jìn)行控制，隨著科技的發(fā)展，當(dāng)前無人機(jī)可以根據(jù)自身的狀態(tài)變化，具備故障診斷和重構(gòu)的自適用控制。無人機(jī)在替代有人駕駛飛機(jī)執(zhí)行特殊任務(wù)的發(fā)展過程中，必然會面臨著自主控制技術(shù)更新發(fā)展的巨大挑戰(zhàn)。目前，無人機(jī)發(fā)展的總體狀況是現(xiàn)有的技術(shù)手段只能實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在相對環(huán)境下的自主或半自主控制，而真正意義上能夠適應(yīng)不同環(huán)境下的智能自主控制技術(shù)還不夠成熟。從本質(zhì)上來看，真正意義上的無人機(jī)自主控制需要具備實(shí)現(xiàn)不確定環(huán)境下能夠及時處理突發(fā)情況的自主決策能力?；诖?，本文對無人機(jī)自主控制技術(shù)的發(fā)展需求和小型無人機(jī)自主控制的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入探討，并且分析了我國無人機(jī)自主控制層級的發(fā)展，最后對小型無人機(jī)自主控制的未來研究方向做了展望。

1 無人機(jī)系統(tǒng)自主控制技術(shù)發(fā)展需求

1.1 具備環(huán)境感知和智能戰(zhàn)場態(tài)勢認(rèn)知能力。相比于現(xiàn)有的無人機(jī)系統(tǒng)，未來的無人機(jī)系統(tǒng)將會具備更加全面的環(huán)境感知能力，無人機(jī)能夠?qū)λ幍沫h(huán)境變化和在惡劣的氣象條件下進(jìn)行高度感知，能夠感知和識別更為廣闊的自然環(huán)境目標(biāo)與敵我目標(biāo)，另外，在無人機(jī)系統(tǒng)自主控制性能的提升上，要具備智能戰(zhàn)場態(tài)勢的認(rèn)知能力，能夠有效地應(yīng)對復(fù)雜的環(huán)境變化所帶來的各種問題。

1.2 具備在復(fù)雜的環(huán)境條件下，可以進(jìn)行自主導(dǎo)航、規(guī)劃和控制的能力。在自主導(dǎo)航和智能控制方面，無人機(jī)不僅可以采用實(shí)現(xiàn)局部范圍內(nèi)的精確導(dǎo)航定位，還可以進(jìn)行復(fù)雜的動作控制，實(shí)現(xiàn)大范圍的高精度定位導(dǎo)航能力，可以進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的測控和開展軍事打擊能力。設(shè)計(jì)的無人機(jī)需要具備環(huán)境感知和戰(zhàn)場態(tài)勢識別能力，以此為基礎(chǔ)，能夠在復(fù)雜的環(huán)境下根據(jù)環(huán)境的變化而進(jìn)行自主的規(guī)劃、決策，能夠擁有靈活的抗干擾能力。

1.3 具備人機(jī)一體化智能融合的能力。當(dāng)前，無人機(jī)技術(shù)得到了快速的發(fā)展，尤其是在智能化水平方面已經(jīng)達(dá)到了人機(jī)一體化的水平。無人機(jī)系統(tǒng)具備了自主控制和自主決策能力。各種無人機(jī)系統(tǒng)將會與有人系統(tǒng)高度的智能化融合，彼此之間互相協(xié)調(diào)，一同完成各種特殊的任務(wù)。

1.4 多平臺分布式協(xié)同能力。多平臺分布式協(xié)同能力是指無人機(jī)系統(tǒng)在保證單平臺自主能力的同時，能夠采用C4KISR系統(tǒng)及數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)多平臺的分布式協(xié)同能力。這種協(xié)同能力主要表現(xiàn)為協(xié)同作戰(zhàn)、協(xié)同監(jiān)測等等。具備這種有人/無人協(xié)同能力的無人機(jī)系統(tǒng)將會擁有更強(qiáng)的任務(wù)處理能力，這也將是無人機(jī)系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢。

2 飛行控制系統(tǒng)功能與組成

飛行控制系統(tǒng)是無人機(jī)的重要組成部分之一，其性能直接關(guān)系到無人機(jī)任務(wù)執(zhí)行能力和無人機(jī)的適用范圍。小型無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)具有以下幾方面的特點(diǎn)：（1）飛行控制系統(tǒng)各個部件的功耗低、重量輕、體積小，系統(tǒng)的集成度高；（2）具備無人操作的情況下可以自動調(diào)整控制飛行器的姿態(tài)、速度和穩(wěn)定性；（3）對于數(shù)據(jù)的實(shí)時通訊具有較高的要求；（4）對飛行控制系統(tǒng)的動態(tài)特性尤其是魯棒性品質(zhì)具有較高要求。

3 小型無人機(jī)系統(tǒng)自主控制關(guān)鍵技術(shù)

無人機(jī)自主控制包括了對預(yù)先設(shè)定好的航線和規(guī)劃任務(wù)進(jìn)行自主完成，可以在線感知和識別環(huán)境，按照預(yù)先設(shè)定的任務(wù)和原則在飛行過程中進(jìn)行自主決策并且自主執(zhí)行任務(wù)。因此，在無人機(jī)系統(tǒng)自主控制關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)過程中，需要加強(qiáng)對系統(tǒng)的控制律設(shè)計(jì)、控制與管理策略設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)和仿真試驗(yàn)等主要關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)力度。

3.1 控制律設(shè)計(jì)?？刂坡墒菬o人機(jī)飛行安全的核心問題，在無人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)過程中，要重視對控制律的設(shè)計(jì)。與有人機(jī)相比，無人機(jī)對控制律的依賴性更強(qiáng)。控制律的設(shè)計(jì)也一直是飛行控制研究領(lǐng)域的重點(diǎn)?？刂坡傻脑O(shè)計(jì)有多種方法，最初的控制律設(shè)計(jì)方法是軌跡和頻域設(shè)計(jì)，后來發(fā)展為以現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)的最優(yōu)控制、極點(diǎn)配置、特征結(jié)構(gòu)配置，再到后來的非線性控制，這包括非線性H∞魯棒控制、非線性動態(tài)逆和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適用控制。這些控制方法在實(shí)際應(yīng)用中各有優(yōu)缺點(diǎn)。

在控制律設(shè)計(jì)的整個發(fā)展過程中，根軌跡和頻域設(shè)計(jì)屬于最經(jīng)典的設(shè)計(jì)方法，此方法的最大優(yōu)點(diǎn)在于整個設(shè)計(jì)過程非常的透明，技術(shù)人員可以清楚的了解系統(tǒng)的動態(tài)和性能修改情況。設(shè)計(jì)人員還可以根據(jù)自身所掌握的經(jīng)驗(yàn)，通過多模態(tài)控制律及調(diào)參的方法來設(shè)計(jì)出性能良好的飛行控制律。而以現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)的最優(yōu)控制以及其他非線性設(shè)計(jì)方法的發(fā)展?jié)摿σ埠艽?，這些設(shè)計(jì)方法在一些實(shí)際的應(yīng)有中也有廣泛的案例，但是要想發(fā)展成為一種比較通用的工程設(shè)計(jì)方法還是需要做很多的努力。對于無人機(jī)飛行控制律設(shè)計(jì)而言，最基礎(chǔ)的問題是要保證飛行器的安全性能良好，因此對于控制律的設(shè)計(jì)就要在系統(tǒng)指標(biāo)滿足的前提下盡可能地便捷。

3.2 控制與管理策略設(shè)計(jì)。飛行控制與管理策略的設(shè)計(jì)主要表現(xiàn)為狀態(tài)切換和邏輯關(guān)系形式的控制與管理，這方面主要有飛行階段的控制方式、判斷與轉(zhuǎn)換、控制模態(tài)的切換、發(fā)動機(jī)等重要的機(jī)載設(shè)備的安全處理和故障監(jiān)測，緊急事態(tài)下的應(yīng)急安全處理等其他的可以反映出系統(tǒng)自主決策能力的內(nèi)容。從遞階控制方面考慮，執(zhí)行層是多模態(tài)控制律，控制與管理策略屬于協(xié)調(diào)層和組織管理層，該層通過控制與管理策略來實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)與組織管理，使其形成一個系統(tǒng)化的整體，從而完成更復(fù)雜的工作。

控制與管理策略設(shè)計(jì)的好壞直接影響到無人機(jī)的功能和安全性，這是由于無人機(jī)需要處理大量復(fù)雜的、與安全飛行有關(guān)的甚至是致命性的狀態(tài)變換和邏輯關(guān)系。國內(nèi)外無人機(jī)飛行出現(xiàn)的問題通常都與控制與管理策略相關(guān)。隨著無人機(jī)自主性要求的不斷提高，無人機(jī)設(shè)計(jì)方面，控制與管理策略將會變得更加重要也更為復(fù)雜。

3.3 控制與管理軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)當(dāng)前，在數(shù)字式飛行控制與管理系統(tǒng)中，飛行控制與管理軟件發(fā)揮了重要的作用。軟件能夠?qū)崿F(xiàn)控制律、控制與管理策略等大部分的控制與管理功能。軟件的運(yùn)用已經(jīng)直接影響到了無人機(jī)飛行控制的功能、性能和安全性等重要因素。隨著無人機(jī)自主程度的不斷提高，控制與管理軟件的性能也將會得到進(jìn)一步的提升。如何能夠保證軟件在任何情況下都能夠安全的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性要求，這是無人機(jī)飛行控制與管理系統(tǒng)中有一個非常關(guān)鍵的問題。

3.4 系統(tǒng)仿真試驗(yàn)。系統(tǒng)仿真試驗(yàn)是地面對飛行控制與管理系統(tǒng)進(jìn)行有效驗(yàn)證和確認(rèn)的一個重要環(huán)節(jié)。無人機(jī)系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的飛行控制功能和性能可以通過數(shù)字仿真和半物理仿真技術(shù)進(jìn)行有效檢驗(yàn)，同時還能夠測定各控制回路的穩(wěn)定裕量，對各種紊流、突風(fēng)等氣象干擾和氣動參數(shù)變化影響下的飛行控制情況也可以進(jìn)行有效地檢驗(yàn)，為控制參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。高逼真的地面仿真試驗(yàn)還能夠極大的降低飛行試驗(yàn)的風(fēng)險，是當(dāng)前先進(jìn)無人機(jī)研制過程中的關(guān)鍵核心技術(shù)。

4 我國小型無人機(jī)自主控制層級發(fā)展

態(tài)勢感知技術(shù)、規(guī)劃與協(xié)同技術(shù)、自主決策技術(shù)以及執(zhí)行任務(wù)技術(shù)是無人機(jī)自主控制技術(shù)的四個主要方面。四項(xiàng)無人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢決定了無人機(jī)自主控制的發(fā)展層級。表1列出了我國無人機(jī)自主控制層級的發(fā)展，通過表1可以看出，我國無人機(jī)自主控制能力分為10個級別，10級為最高，可以達(dá)到人腦操作性能。每個級別還列出了其所對應(yīng)的態(tài)勢感知技術(shù)、規(guī)劃與協(xié)同技術(shù)、自主決策技術(shù)以及執(zhí)行任務(wù)技術(shù)的級別。例如自主控制層級第1級（遠(yuǎn)程遙控）分別對應(yīng)1級態(tài)勢感知技術(shù)、1級協(xié)同技術(shù)、1級自主決策技術(shù)和1級執(zhí)行任務(wù)技術(shù)。

表1還可以用來對無人機(jī)自主控制的能力進(jìn)行評估，以此來了解無人機(jī)自主控制技術(shù)的適應(yīng)層級，這可以作為無人機(jī)項(xiàng)目開發(fā)技術(shù)支持的工具，確定無人機(jī)性能的研究方向，使人們更清晰的了解哪一個級別可以有效提升無人機(jī)自主控制的能力。

表1 我國無人機(jī)自主控制層級發(fā)展規(guī)劃

級別自主控制層級描述態(tài)勢感知技術(shù)規(guī)劃與協(xié)同技術(shù)自主決策技術(shù)執(zhí)行任務(wù)技術(shù)

1遠(yuǎn)程遙控1111

2程控飛行，預(yù)先任務(wù)規(guī)劃2111

3實(shí)時故障診斷，特情處置3222

4飛行環(huán)境自適應(yīng)，地面任務(wù)重規(guī)劃4232

5航路與任務(wù)，機(jī)上重規(guī)劃5332

6多機(jī)編隊(duì)，協(xié)同控制5443

7多機(jī)編隊(duì)，協(xié)同任務(wù)6443

8分布式控制，探測、跟蹤、攻擊目標(biāo)7554

9戰(zhàn)略上，機(jī)群攻擊目標(biāo)7555

10戰(zhàn)略上，機(jī)群任務(wù)完全自主8666

5 無人機(jī)自主控制飛行控制

無人機(jī)自主飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個具有極大挑戰(zhàn)性的研究課題，根據(jù)無人機(jī)研究的發(fā)展現(xiàn)狀，未來的研究方向主要有以下幾點(diǎn)：（1）根據(jù)無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中現(xiàn)存的問題，能夠開發(fā)出一種性能更好的分層遞階控制結(jié)構(gòu)，使無人機(jī)具備更高的自主等級，能夠自主的決策各種突發(fā)情況，適用不同環(huán)境變化下的風(fēng)險。（2）保證無人機(jī)在較為復(fù)雜的環(huán)境下和惡劣的氣候條件甚至是自身存在內(nèi)部故障的情況下，仍然可以安全的實(shí)現(xiàn)著陸，而且著陸位置更加的精確。因此，無人機(jī)的著陸控制也是無人機(jī)研發(fā)過程中的重要課題之一。（3）能夠開發(fā)出一種任務(wù)規(guī)劃策略，該策略可以保證無人機(jī)在飛行過程中可以實(shí)時的根據(jù)所獲取的信息進(jìn)行分析，在不同的領(lǐng)域內(nèi)運(yùn)用不同的方法進(jìn)行融合做出有效地決策，使無人機(jī)在面對不斷變化的環(huán)境以及突發(fā)事故中可以迅速的做出應(yīng)急反應(yīng)。（4）保證無人機(jī)能夠在執(zhí)行任務(wù)過程中實(shí)時的獲取有關(guān)信息，建立三維模型，通過目標(biāo)的辨識來完成各種任務(wù)，畢竟信息是無人機(jī)實(shí)現(xiàn)其功能的基礎(chǔ)。（5）其他相關(guān)的一系列技術(shù)，比如故障診斷與排除，知識表達(dá)等等。

參考文獻(xiàn)：

[1]王英勛，蔡志浩.無人機(jī)的自主飛行控制[J].航空制造技術(shù)，2009（08）.

[2]曾佳，申功璋.一種無人機(jī)自主變步長航跡規(guī)劃方法[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2008（06）.

[3]淳于江民，張珩.無人機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].飛航導(dǎo)彈，2005（02）.

作者簡介：韓泉泉（1982-），男，西安人，工程師，碩士，研究方向：地面指揮控制與定位導(dǎo)航。

作者單位：西安愛生技術(shù)集團(tuán)公司，西安 710065