無人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀分析

羅寧曦+江建昊

摘要：本文介紹了無人機(jī)的特點(diǎn)以及它在軍事領(lǐng)域與民用領(lǐng)域的應(yīng)用，重點(diǎn)對飛行控制技術(shù)、機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、數(shù)據(jù)鏈技術(shù)、動力系統(tǒng)技術(shù)等無人機(jī)研究領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；關(guān)鍵技術(shù)；飛行控制

1 引言

無人機(jī)全稱為無人駕駛飛機(jī)（Unmanned Air Vehicles ，UAV）是指無人駕駛的由遙控設(shè)備或預(yù)先編程控制、帶有動力源、可根據(jù)任務(wù)需求搭載不同任務(wù)載荷、并可重復(fù)回收利用的飛行器。軍事領(lǐng)域中，無人機(jī)憑借其高靈活性、生存能力高、載荷多樣性、滯空時(shí)間長、操作簡單、性價(jià)比高、訓(xùn)練維修成本低、受人為因素干擾小等優(yōu)點(diǎn)，可以出色地完成偵察、監(jiān)視、信息中繼、毀傷評估、對地（海）攻擊、電子對抗、目標(biāo)模擬和空中預(yù)警等諸多任務(wù)，而迅速在各國軍事領(lǐng)域中占領(lǐng)了重要地位。在民用領(lǐng)域，無人機(jī)以其超高的性價(jià)比，使其逐漸取代高成本的有人機(jī)服務(wù)，在電路巡查、航空攝影、消防、人工增雨、交通監(jiān)視、地面災(zāi)害評估、航空測繪、農(nóng)業(yè)植保、快遞運(yùn)送等方面得到了廣范運(yùn)用。特別是在農(nóng)業(yè)植保與航空拍攝方面的應(yīng)用具有極大的潛力。

2 無人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

無人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)主要包含以下幾個(gè)部分：飛行控制技術(shù)、機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、數(shù)據(jù)鏈技術(shù)、動力系統(tǒng)技術(shù)。

2.1 飛行控制技術(shù)

自飛控系統(tǒng)誕生以來，飛控系統(tǒng)就是直接影響飛行品質(zhì)的關(guān)鍵系統(tǒng)，飛行控制律的設(shè)計(jì)又是飛控系統(tǒng)的核心技術(shù)。下面簡介幾種控制方法：

2.1.1 PID控制（Proportional Integral Derivative Control）

PID控制器是最早實(shí)用化，目前應(yīng)用最為廣泛的控制器。PID控制器簡單易懂，主要由比例控制、積分控制與微分控制組成，在使用中并不需要精確地?cái)?shù)學(xué)模型且只需要設(shè)定三個(gè)參數(shù)，更具有可靠性、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。但是隨著被控制對象（無人機(jī)等）愈加復(fù)雜，單一PID應(yīng)用的局限性越來越明顯，比如傳統(tǒng)PID參數(shù)確定復(fù)雜、難以適應(yīng)非線性控制系統(tǒng)、抗干擾性能差等。因此隨著智能算法與計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，一些復(fù)合PID控制器應(yīng)運(yùn)而生。

2.1.2 魯棒控制（Robust Control， RC）

1972年，Davis on首次提出了魯棒控制。魯棒性是指控制系統(tǒng)的健壯性。用以表示控制系統(tǒng)對特性或者參數(shù)擾動的不敏感性，是異常或危險(xiǎn)情況下系統(tǒng)生存的關(guān)鍵。相應(yīng)的，魯棒控制就是指一個(gè)以提高控制算法可靠性為主要目標(biāo)的控制器設(shè)計(jì)方法。但是由于魯棒控制一般工作在系統(tǒng)的較差狀態(tài)下，因此也會造成系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度較差的問題，控制器階數(shù)過高，控制系統(tǒng)過于復(fù)雜也是其一大缺點(diǎn)。

2.1.3 動態(tài)逆控制（Dynamic-inverse Control）

動態(tài)逆方法是反饋線性化方法中的一種，屬于偽線性系統(tǒng)。其基本思想是利用全狀態(tài)反饋抵消原系統(tǒng)中的非線性特性，用偽線性系統(tǒng)來描述輸入輸出之間的關(guān)系，從而利用線性控制律對新系統(tǒng)進(jìn)行控制，線性控制律和非線性反饋律也就是最終的非線性控制系統(tǒng)。 動態(tài)逆控制能夠滿足大迎角、超機(jī)動等非常規(guī)控制要求，但是其對建模精確度要求極高，建模誤差的存在將影響其控制性能，甚至是惡化。而通過與其他控制方法結(jié)合可以很大程度上改善這一問題。

2.1.4 反步控制（Backstepping Control）

反步法，又稱反演設(shè)計(jì)法，是一種非線性系統(tǒng)自適應(yīng)控制器的設(shè)計(jì)方法。該方法以用若干個(gè)子系統(tǒng)來代替復(fù)雜的高維非線性系統(tǒng)為基本思想，通過反向遞推各子系統(tǒng)的Lyapunov函數(shù)，設(shè)計(jì)控制器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全調(diào)節(jié)或跟蹤，最終達(dá)到期望的性能指標(biāo)。該方法可以有效地利用非線性系統(tǒng)本身固有的非線性特性，保持全局的穩(wěn)定性，使得控制效果得到極大地提升。

2.1.5 滑膜變結(jié)構(gòu)控制（Synovial variable structure？Control）

變結(jié)構(gòu)控制的思想主體內(nèi)容為滑膜變結(jié)構(gòu)控制。其設(shè)計(jì)思想為：控制器根據(jù)系統(tǒng)輸出變化，按照一定的內(nèi)部反饋控制結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)狀態(tài)從狀態(tài)空間中的任一點(diǎn)向滑膜面收斂，并在滑模面上滑動，最終達(dá)到平衡點(diǎn)。該控制器的設(shè)計(jì)核心在于滑平面的選取與切換函數(shù)的設(shè)計(jì)。滑膜變結(jié)構(gòu)控制魯棒性較強(qiáng)，對模型誤差、參數(shù)不確定性和外部干擾反應(yīng)遲鈍。但其也存在一個(gè)固有缺點(diǎn)——外界干擾與系統(tǒng)慣性帶來的沿滑模面的高頻抖動。滑模面的選取在一定程度上可以解決這一問題，因此這也成為滑膜變結(jié)構(gòu)控制器設(shè)計(jì)過程中的一大難點(diǎn)。

2.2 機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是無人機(jī)總體設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)，總的來說，相對于有人機(jī)，無人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)主要具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中各種安全系數(shù)的閾值普遍偏低。無人機(jī)由于不需要考慮飛行員的安全問題，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為簡潔明確，降低了對機(jī)體安全裕度的控制要求。

（2）機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊化、整體化程度高。擺脫有人機(jī)的諸多限制，無人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的模塊化與整體化更進(jìn)一步。將細(xì)小零件整合設(shè)計(jì)，減少結(jié)構(gòu)的連接件、緊固件，可以減少結(jié)構(gòu)集中應(yīng)力區(qū)域數(shù)量，同時(shí)也可以保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛性特性的連續(xù)性，增強(qiáng)了機(jī)體結(jié)構(gòu)可靠性。（3）載荷艙設(shè)計(jì)所占比重增大。無人機(jī)的載荷決定了其所能完成的任務(wù)種類以及效果。

2.3 數(shù)據(jù)鏈技術(shù)

根據(jù)任務(wù)功能，無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈主要分為上行和下行鏈路，上行鏈路主要負(fù)責(zé)地面站到無人機(jī)遙控指令的發(fā)收，下行鏈路則主要完成無人機(jī)到地面站遙測數(shù)據(jù)、視頻圖像信號的發(fā)收。無人機(jī)之所以能夠順利、有效地完成任務(wù)，依靠的不僅僅是機(jī)載任務(wù)設(shè)備，還有大數(shù)據(jù)流量、寬帶、高接收靈敏度、安全穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。也只有實(shí)現(xiàn)地面系統(tǒng)與空中無人機(jī)平臺間信息的實(shí)時(shí)共享交互，才能充分發(fā)揮無人機(jī)的優(yōu)勢和作用。目前，戰(zhàn)場電磁環(huán)境日益復(fù)雜，電磁干擾武器日益發(fā)達(dá)，這對無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的抗干擾性也提出了更加苛刻的要求。同時(shí)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的可靠性、穩(wěn)定性與安全問題也是未來無人機(jī)實(shí)現(xiàn)智能自主控制飛行的關(guān)鍵核心技術(shù)。可以說無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈性能的優(yōu)劣與無人機(jī)的表現(xiàn)息息相關(guān)。

2.4 動力系統(tǒng)技術(shù)

無人機(jī)長航程、長航時(shí)的任務(wù)要求決定了它需要有一顆強(qiáng)勁穩(wěn)定高效率的“動力心臟”。目前，無人機(jī)使用的發(fā)動機(jī)主要包括：活塞式發(fā)動機(jī)、渦輪式發(fā)動機(jī)、轉(zhuǎn)子式發(fā)動機(jī)、電動式發(fā)動機(jī)、太陽能式發(fā)動機(jī)。除了研究先進(jìn)的動力裝置，無人機(jī)動力技術(shù)還在開發(fā)各種新型高效能源（如高比能量的電池、高效燃料等）以及推力矢量技術(shù)、氣動力控制技術(shù)等。

3 總結(jié)

目前無人機(jī)應(yīng)用越來越廣泛，面對的任務(wù)越來越復(fù)雜，人們對于無人機(jī)性能的要求也越來越高，無人機(jī)發(fā)展可謂動力十足。相信隨著高新技術(shù)的蓬勃發(fā)展，技術(shù)難題的不斷攻克，無人機(jī)必將迎來它的黃金時(shí)代，在空宇之中大放異彩。

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