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引言

當(dāng)今，無人機(jī)以自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)獲得了極大的發(fā)展，在軍用、警用、國土安全，災(zāi)害預(yù)警，線路巡檢和影視航拍，通訊，農(nóng)業(yè)，環(huán)境保護(hù)等諸多領(lǐng)域有著廣范應(yīng)用。特別是在當(dāng)下人工智能的時(shí)代浪潮中，其研究成果也是日新月異，物流運(yùn)輸已成為無人機(jī)重要的應(yīng)用方向之一。無人機(jī)作為一個(gè)理想的作業(yè)平臺(tái)，吊掛飛行是其遂行任務(wù)之一。它具有靈活的機(jī)動(dòng)性，可以在其它運(yùn)輸工具難以到達(dá)的地方，快速、高效地開展物資運(yùn)輸投放作業(yè)；而且無需考慮地理環(huán)境，不受陸地交通運(yùn)輸?shù)墓苤?，操作?jiǎn)單易上手；再者，采用吊掛形式的運(yùn)輸不用擔(dān)心吊掛物外形的影響。因次，吊掛無人機(jī)在軍事和民用領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。然而無人機(jī)在吊掛物體飛行時(shí)，其系統(tǒng)穩(wěn)定性會(huì)受到來自吊掛物體擺動(dòng)的影響，這也是國內(nèi)外高校和研究團(tuán)隊(duì)關(guān)注和研究的焦點(diǎn)

1. 吊掛無人機(jī)飛行控制特點(diǎn)

吊掛無人機(jī)是一個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)耦合、時(shí)變、欠驅(qū)動(dòng)的高階耦合系統(tǒng),是一個(gè)復(fù)雜的被控對(duì)象, 其主要特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

建模難度大

對(duì)于無人平臺(tái)柔性吊掛這樣的多自由度復(fù)合結(jié)構(gòu)的控制有著其自身特殊的技術(shù)難點(diǎn)，并不能通過無人機(jī)和垂吊物各自建模、控制與規(guī)劃方法的簡(jiǎn)單組合來解決，而且很難建立精確的全機(jī)動(dòng)力學(xué)模型，這對(duì)吊掛無人機(jī)控制系統(tǒng)的魯棒性提出了極大的挑戰(zhàn)。

耦合特性嚴(yán)重

無人機(jī)本身存在嚴(yán)重的耦合，而吊繩和吊掛物的引入則改變了系統(tǒng)整體氣動(dòng)布局，進(jìn)而加劇了耦合。

全機(jī)動(dòng)力學(xué)特性復(fù)雜

面向任務(wù)作業(yè)過程中無人機(jī)、垂吊物、降落目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，加之隨機(jī)的環(huán)境擾動(dòng)，使其產(chǎn)生復(fù)雜的全機(jī)動(dòng)力學(xué)特性。使得垂吊物與降落地面接觸過程中兩者之間的作用力/力矩及隨機(jī)的外力/力矩?cái)_動(dòng)將使系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型呈獻(xiàn)較多不確定結(jié)構(gòu)和參數(shù)。

2. 國內(nèi)外發(fā)展及技術(shù)研究現(xiàn)狀

吊掛無人機(jī)是近年來出現(xiàn)的一個(gè)新概念，就目前公開發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)來看，其研究成果還比較少。尤其在型號(hào)無人機(jī)方面，由于一直是世界各國軍方推崇的裝備，相關(guān)研究屬于機(jī)密，目前一些發(fā)達(dá)國際的研究成果也未公開發(fā)表。

在大型吊掛無人機(jī)研究方面，就目前來看其技術(shù)相對(duì)成熟的當(dāng)屬美國和以色列，比如美國的格魯門公司，以色列飛機(jī)工業(yè)公司馬拉特分部等在型號(hào)無人機(jī)方面都具有相當(dāng)成熟的技術(shù)成果。其次技術(shù)比較成熟的是英國、德國、意大利法國等歐洲發(fā)達(dá)國家。此外日本的雅馬哈公司在這方面的研究也是居世界前列。但是，對(duì)于執(zhí)行外吊掛運(yùn)輸任務(wù)的無人直升機(jī)來說研究成果相對(duì)較少，公開發(fā)表的文章也也寥寥無幾。我們可以看到的，如美國卡曼公司的K-MAX和洛克希德馬丁公司的MQ-8C都是專門用來執(zhí)行機(jī)外吊掛運(yùn)輸任務(wù)的無人直升機(jī)。K-MAX無人直升機(jī)目前已經(jīng)可以達(dá)到自主飛行的技術(shù)水平，并且在阿富汗戰(zhàn)場(chǎng)上成功執(zhí)行了吊掛運(yùn)輸補(bǔ)給任務(wù)。2015年6月，卡曼公司Aerosystems部門恢復(fù)K-MAX載重直升機(jī)的生產(chǎn)。K-MAX載重直升機(jī)在世界各地用于消防、日志記錄和其他要求高載重的任務(wù)。2017年5月份，K-MAX進(jìn)行了恢復(fù)生產(chǎn)以來的首飛測(cè)試。

        圖1 K-MAX吊掛無人直升機(jī)       

 圖2 MQ-8C吊掛無人直升機(jī)

國內(nèi)對(duì)無人直升機(jī)的研制始于“八五”期間。發(fā)展至今，雖然取得了一定的成果，但是在飛行控制和動(dòng)力等關(guān)鍵技術(shù)方面跟國外相比差距依然很大，多數(shù)的核心元件需要進(jìn)口，并且在研制模式上基本是對(duì)國外的成熟機(jī)型進(jìn)行仿制或?qū)τ腥藱C(jī)進(jìn)行無人化改造。《裝備預(yù)先研究技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，把我國工業(yè)無人直升機(jī)的技術(shù)成熟度列為7級(jí)(共9級(jí))。技術(shù)相對(duì)較為成熟的為中航工業(yè)602所，其次是總參謀部60所，最后是以北京中航智科技有限公司為首的民營企業(yè)。但是，對(duì)于執(zhí)行吊掛運(yùn)輸任務(wù)無人機(jī)的研究成果在國內(nèi)還尚未出現(xiàn)。

20世紀(jì)中期到90年代是利用直升機(jī)開展吊掛運(yùn)輸作業(yè)的研發(fā)初創(chuàng)期，但由于關(guān)鍵技術(shù)問題不能很好解決，研制進(jìn)程緩慢。隨著飛控技術(shù)的突破以及復(fù)合材料、動(dòng)力、傳感器等核心技術(shù)的快速發(fā)展及廣泛應(yīng)用,加之軍方在高技術(shù)戰(zhàn)場(chǎng)偵察的需要,我國越來越重視無人直升機(jī)的研究，確保逐步實(shí)現(xiàn)智能化、多元化。但是，對(duì)于無人平臺(tái)柔性吊掛這樣的多自由度復(fù)合結(jié)構(gòu)的控制有著其自身特殊的技術(shù)難點(diǎn)，并不能通過無人機(jī)和垂吊物各自建模、控制與規(guī)劃方法的簡(jiǎn)單組合來解決，這對(duì)吊掛無人機(jī)控制系統(tǒng)的魯棒性提出了極大的挑戰(zhàn)。因此，現(xiàn)有用于無人機(jī)控制技術(shù)還不能完全應(yīng)用于吊掛無人機(jī)上面。

雖然目前對(duì)吊掛無人機(jī)的研究成果較少，但是針對(duì)非吊掛無人機(jī)的飛行控制，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了廣泛的研究，對(duì)此還是有一定借鑒意義的。從經(jīng)典PID 控制到現(xiàn)代控制理論再到人工智能控制，在理論上和實(shí)際型號(hào)應(yīng)用上都取得了一定成果，如表1所示。目前主要的控制方法有：魯棒控制、LQR控制、特征結(jié)構(gòu)配置、變結(jié)構(gòu)控制、MPC控制、動(dòng)態(tài)逆控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制以及顯模型跟蹤控制等。

表1 無人機(jī)飛行控制方法及應(yīng)用

Table 1 UAV flight control method and its application

控制方法

特點(diǎn)

應(yīng)用及案例

PID 控制

工程實(shí)用性強(qiáng)，處理不確定能力弱

大多數(shù)國內(nèi)無人直升機(jī)

模糊控制

不依賴于對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理

姿態(tài)、懸停、位置等

自適應(yīng)控制

處理不確定性能力強(qiáng)，對(duì)對(duì)象本身依賴較少，強(qiáng)擾動(dòng)下處理能力弱

無人直升機(jī)全包線控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

在推理，控制參數(shù)尋優(yōu)，故障診斷上有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，然而實(shí)時(shí)性難以保證且需要對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型

無人直升機(jī)全包線控制

魯棒控制

魯棒性強(qiáng)，設(shè)計(jì)計(jì)算復(fù)雜困難

姿態(tài)控、懸停、位置控制等

動(dòng)態(tài)逆控制

對(duì)對(duì)象數(shù)學(xué)模型精確度要求高，逆模型求解困難，魯棒性不強(qiáng)

姿態(tài)控制、全包線飛行控制

MPC控制

與模型相關(guān)

姿態(tài)、高度、導(dǎo)航等

LQR控制

能夠處理系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)問題和噪聲問題，需要對(duì)象的精確模型

姿態(tài)解耦控制

顯模型跟蹤控制

設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，響應(yīng)效果好，魯棒性不強(qiáng)

全包線飛行控制,已應(yīng)用于ADOCS 項(xiàng)目和 RASCAL   項(xiàng)目

特征結(jié)構(gòu)配置

閉環(huán)系統(tǒng)阻尼，可解耦，穩(wěn)定性好，多用在多輸入多輸出系統(tǒng)

目前在 BO-105型直升機(jī)上得到應(yīng)用

變結(jié)構(gòu)控制

魯棒性好，工程上不適用

全包線飛行控制和姿態(tài)控制

在小型吊掛無人機(jī)方面，其概念已經(jīng)得到初步驗(yàn)證。德雷克賽爾大學(xué)自主系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室研究并完成了旋翼機(jī)自主跟蹤，負(fù)載吊取，車輛部署的作業(yè)。通過懸吊在機(jī)架下的吊取裝置對(duì)整個(gè)系統(tǒng)展開了驗(yàn)證。德國的蒂賓根生物控制研究所采用仿真旋翼無人機(jī)重點(diǎn)研究了無人機(jī)與負(fù)載之間的相對(duì)軌跡跟蹤，并且在仿真環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)目標(biāo)的抓取。上述驗(yàn)證案例均未進(jìn)行樣機(jī)的實(shí)際試飛試驗(yàn)。

新墨西哥大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于干擾觀測(cè)器的旋翼無人機(jī)分層控制的自主飛行，提出了一種運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，用于生成懸掛載荷的旋翼飛行無人機(jī)具有最小剩余擺動(dòng)（無擺動(dòng)）的軌跡，并通過計(jì)算機(jī)模擬和室內(nèi)演示實(shí)驗(yàn)初步驗(yàn)證了結(jié)果。