無人機關鍵技術研究現狀分析

羅寧曦+江建昊

摘要：本文介紹了無人機的特點以及它在軍事領域與民用領域的應用，重點對飛行控制技術、機體結構設計技術、數據鏈技術、動力系統技術等無人機研究領域的關鍵技術進行了分析。

關鍵詞：無人機；關鍵技術；飛行控制

1 引言

無人機全稱為無人駕駛飛機（Unmanned Air Vehicles ，UAV）是指無人駕駛的由遙控設備或預先編程控制、帶有動力源、可根據任務需求搭載不同任務載荷、并可重復回收利用的飛行器。軍事領域中，無人機憑借其高靈活性、生存能力高、載荷多樣性、滯空時間長、操作簡單、性價比高、訓練維修成本低、受人為因素干擾小等優點，可以出色地完成偵察、監視、信息中繼、毀傷評估、對地（海）攻擊、電子對抗、目標模擬和空中預警等諸多任務，而迅速在各國軍事領域中占領了重要地位。在民用領域，無人機以其超高的性價比，使其逐漸取代高成本的有人機服務，在電路巡查、航空攝影、消防、人工增雨、交通監視、地面災害評估、航空測繪、農業植保、快遞運送等方面得到了廣范運用。特別是在農業植保與航空拍攝方面的應用具有極大的潛力。

2 無人機關鍵技術

無人機關鍵技術主要包含以下幾個部分：飛行控制技術、機身結構設計技術、數據鏈技術、動力系統技術。

2.1 飛行控制技術

自飛控系統誕生以來，飛控系統就是直接影響飛行品質的關鍵系統，飛行控制律的設計又是飛控系統的核心技術。下面簡介幾種控制方法：

2.1.1 PID控制（Proportional Integral Derivative Control）

PID控制器是最早實用化，目前應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數學模型且只需要設定三個參數，更具有可靠性、魯棒性好等優點。但是隨著被控制對象（無人機等）愈加復雜，單一PID應用的局限性越來越明顯，比如傳統PID參數確定復雜、難以適應非線性控制系統、抗干擾性能差等。因此隨著智能算法與計算機技術的不斷進步，一些復合PID控制器應運而生。

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的健壯性。用以表示控制系統對特性或者參數擾動的不敏感性，是異常或危險情況下系統生存的關鍵。相應的，魯棒控制就是指一個以提高控制算法可靠性為主要目標的控制器設計方法。但是由于魯棒控制一般工作在系統的較差狀態下，因此也會造成系統穩態精度較差的問題，控制器階數過高，控制系統過于復雜也是其一大缺點。

2.1.3 動態逆控制（Dynamic-inverse Control）

動態逆方法是反饋線性化方法中的一種，屬于偽線性系統。其基本思想是利用全狀態反饋抵消原系統中的非線性特性，用偽線性系統來描述輸入輸出之間的關系，從而利用線性控制律對新系統進行控制，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。 動態逆控制能夠滿足大迎角、超機動等非常規控制要求，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，又稱反演設計法，是一種非線性系統自適應控制器的設計方法。該方法以用若干個子系統來代替復雜的高維非線性系統為基本思想，通過反向遞推各子系統的Lyapunov函數，設計控制器，實現系統的全調節或跟蹤，最終達到期望的性能指標。該方法可以有效地利用非線性系統本身固有的非線性特性，保持全局的穩定性，使得控制效果得到極大地提升。

2.1.5 滑膜變結構控制（Synovial variable structure？Control）

變結構控制的思想主體內容為滑膜變結構控制。其設計思想為：控制器根據系統輸出變化，按照一定的內部反饋控制結構，使系統狀態從狀態空間中的任一點向滑膜面收斂，并在滑模面上滑動，最終達到平衡點。該控制器的設計核心在于滑平面的選取與切換函數的設計?；ぷ兘Y構控制魯棒性較強，對模型誤差、參數不確定性和外部干擾反應遲鈍。但其也存在一個固有缺點——外界干擾與系統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構控制器設計過程中的一大難點。

2.2 機體結構設計技術

無人機結構設計是無人機總體設計中的重要一環，總的來說，相對于有人機，無人機機體結構設計技術主要具有以下幾個特點：

（1）結構設計中各種安全系數的閾值普遍偏低。無人機由于不需要考慮飛行員的安全問題，主體結構設計較為簡潔明確，降低了對機體安全裕度的控制要求。

（2）機體結構設計模塊化、整體化程度高。擺脫有人機的諸多限制，無人機機體結構的模塊化與整體化更進一步。將細小零件整合設計，減少結構的連接件、緊固件，可以減少結構集中應力區域數量，同時也可以保證結構強度與剛性特性的連續性，增強了機體結構可靠性。（3）載荷艙設計所占比重增大。無人機的載荷決定了其所能完成的任務種類以及效果。

2.3 數據鏈技術

根據任務功能，無人機數據鏈主要分為上行和下行鏈路，上行鏈路主要負責地面站到無人機遙控指令的發收，下行鏈路則主要完成無人機到地面站遙測數據、視頻圖像信號的發收。無人機之所以能夠順利、有效地完成任務，依靠的不僅僅是機載任務設備，還有大數據流量、寬帶、高接收靈敏度、安全穩定的數據通信系統。也只有實現地面系統與空中無人機平臺間信息的實時共享交互，才能充分發揮無人機的優勢和作用。目前，戰場電磁環境日益復雜，電磁干擾武器日益發達，這對無人機數據鏈技術的抗干擾性也提出了更加苛刻的要求。同時無人機數據鏈的可靠性、穩定性與安全問題也是未來無人機實現智能自主控制飛行的關鍵核心技術?？梢哉f無人機數據鏈性能的優劣與無人機的表現息息相關。

2.4 動力系統技術

無人機長航程、長航時的任務要求決定了它需要有一顆強勁穩定高效率的“動力心臟”。目前，無人機使用的發動機主要包括：活塞式發動機、渦輪式發動機、轉子式發動機、電動式發動機、太陽能式發動機。除了研究先進的動力裝置，無人機動力技術還在開發各種新型高效能源（如高比能量的電池、高效燃料等）以及推力矢量技術、氣動力控制技術等。

3 總結

目前無人機應用越來越廣泛，面對的任務越來越復雜，人們對于無人機性能的要求也越來越高，無人機發展可謂動力十足。相信隨著高新技術的蓬勃發展，技術難題的不斷攻克，無人機必將迎來它的黃金時代，在空宇之中大放異彩。

參考文獻：

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