小型無人機導航與制導關鍵技術

任涵

摘 要：文章所研究的內容主要圍繞著小型無人機所應用的導航及制導關鍵技術，首先分析了現階段所開展研究工作的進展，然后通過理論與實際相結合的方式，以系統構成、體系分析等方面作為切入點，對導航及制導技術的具體應用展開了探究，供相關人員參考。

關鍵詞：小型無人機；導航技術；制導技術

中圖分類號：V249.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）06-0061-02

Abstract： This paper mainly focuses on the key technologies of navigation and guidance for small UAVs. Firstly， the progress of the research work is analyzed， and then the combination of theory and practice is adopted. With the system structure， system analysis and other aspects as the breakthrough point， the specific application of navigation and guidance technology has been explored， for the reference of relevant personnel.

Keywords： small UAV； navigation technology； guidance technology

引言

在科學技術發展速度極快的當今社會，小型無人機開始被應用在諸多領域之中，并且取得了一定的成績。小型無人機是指適合近距離、短程飛行的，能夠完成目標巡查和災害監測工作的飛行器的一種，具有十分廣闊的發展前景，作為小型無人機所涵蓋諸多技術中相對核心的一項技術，導航及制導始終是專家和學者研究的重點，可以說只有保證導航及制導技術的合理應用，小型無人機才能夠高質量完成任務，因此，本文所研究內容具有一定的現實意義。

1 小型無人機導航及制導技術的研究現狀

對小型無人機而言，導航及制導關鍵技術的作用主要體現在廣域搜索以及識別目標這兩個方面，一般來說，導航及制導系統由三個部分組成，分別是導引頭、目標識別裝置還有導航裝置，經由雙向數據鏈路完成信息的傳輸。小型無人機最突出的特點在于其體積較小，這也對所應用導航及制導系統提出了全新的要求，隨著科學技術的進步，微小型導航及制導系統應運而生，將其應用在小型無人機中，能夠幫助無人機更好的完成任務，可以說微小型導航及制導系統的出現在某種程度上推動了我國小型無人機領域的發展。

小型無人機所應用的導航系統，是通過對衛星導航、無線電導航、慣性導航、天文導航等多項技術進行有針對性的組合所產生的，其中使用頻率較高的導航技術為慣性導航、衛星導航，MEMS技術的發展，又在將慣性導航與衛星導航進行結合的基礎上，達到了“微小型”的要求，無論是對小型無人機，還是對微型無人機而言，這一研究成果都具有無法被忽略的重要意義。需要注意的是，雖然微小型系統以及器件更加符合小型無人機的要求，但是現階段，我國圍繞著相關系統以及器件所展開的研究工作仍舊存在一定的不足，換言之，系統以及器件的精度仍舊具有較大的上升空間。

2 小型無人機導航及制導系統的具體研究

從功能的角度對小型無人機進行分析能夠發現，小型無人機通常是由偵查導引、數據鏈路、飛行器平臺等多個不同的分系統所構成，其中，偵查引導系統就是本文重點研究的導航及制導系統，該系統的作用是對無人機平臺所處的運動狀態進行測量，保證小型無人機飛行的穩定性，并通過對目標運動狀態進行測量的方式，完成與跟蹤目標相關的指令的計算，保證小型無人機能夠按照既定軌跡完成飛行任務[1]。隨著科學技術的發展，小型無人機主要被應用到各個領域，而其需要完成的任務也由此而變得更加多樣化，導航及制導系統的存在能夠保證小型無人機完成自身使命，下面就圍繞著小型無人機的制導系統展開研究。

2.1 導航及制導系統的構成

2.1.1 引導裝置

引導裝置的作用是對小型無人機和目標所處的運動狀態進行探測，具體包括角速度量、速度矢量以及實際位置三個方面，需要注意的是，上文所提及的三個量可以與小型無人機所處運動坐標系相對的量，也可以是與地面坐標系相對的量。

2.1.2 指令的形成

指令形成部分主要是指對小型無人機和目標的信息進行處理，以所選擇引導規律和導航及制導回路參數與結構為依據，完成相應的處理工作并形成指令。

2.1.3 穩定控制系統

為了避免小型無人機受外在因素干擾，導致無法根據既定路線平穩的完成飛行工作，現階段，穩定控制系統已經被廣泛應用在了小型無人機之中，并通過對控制指令及相關信息進行處理的方式，保證飛行狀態的有效更改，以及小型無人機自身穩定性的提升。

2.2 導航及制導體系的分析

2.2.1 選擇導航及制導方式

與常規無人機相比，本文所研究無人機所對應導航及制導系統的特點主要是高度的時間敏感性，因為只有這樣才能在規定時間內完成任務，因此，在對導航及制導方式進行選擇時，也應當遵循這一原則。具體來說，制導體系的作用主要是對無人機加以控制，使其能夠準確飛向目標，那么，以下兩個功能就是制導體系所必備的：控制功能、導引功能。控制功能是指由小型無人機和飛控器共同構成的閉環系統，該功能的作用是加強小型無人機的穩定性并對其進行控制；導引功能是指由小型無人機、飛控器、導引頭以及運動學環節共同構成的閉環系統，該功能的作用是保證小型無人機質心運動的穩定進行。小型無人機具有的特點決定了其對制導體系具有十分嚴格的要求，與紅外導引頭比較而言，利用地面無線電系統發送的位置信息進行導引，無論是在功耗還是在成本等方面都更加適合小型無人機，因此，本文所討論小型無人機的導航及制導體系主要是通過地面無線電系統所發送的位置信息完成導引工作。

2.2.2 選擇導引規律

作為對小型無人機的控制系統進行設計時不可或缺的部分，導航及制導系統的工作原理是以導引頭所測定的、小型無人機相對目標的實際飛行情況為依據，利用導引規律對小型飛行機預定位置和實際位置間存在的偏差進行計算并形成相應的導航及制導指令，以此來改變小型無人機飛行方向，讓其根據既定軌道飛向目標，完成相應的任務。導引規律不僅對小型無人機飛行過程中所遵循運動規律進行了描述，還對小型無人機的飛行參數與特性具有決定作用，因此，保證所選擇導引規律的科學性、合理性是十分重要的。現階段使用頻率較高的導引規律主要由經典和現代兩種，經典導引規律的優勢在于結構簡單、所需信息量較少，正是因為如此，經典導引規律較現代導引規律相比，使用范圍更加廣泛[2]。

對于本文重點研究的導航及制導體系而言，在完成特定任務前，首先應當判斷目標特性，通過實踐不難看出，如果應用比例導引，往往會導致發動機失速、導引盲區等問題的出現，進而對導引精度產生影響。除此之外，想要保證比例導引的實現，測量小型無人機和目標之間的相對角速度也是很有必要的，在科學技術發展速度極快的當今社會，用于該項測量工作中的元件已經十分精確。綜上所述，由比例導引法、平行接近法和追蹤法共同組成的經典導引規律較現代導引規律而言，更加符合小型無人機的要求。

2.3 導航及制導系統功能的分析

小型無人機的導引體系主要由導航及制導、飛行控制這兩部分組成，飛行控制的作用是以控制指令為依據，對小型無人機的運動姿態進行改變，導航及制導則用于對控制指令進行生成的過程中。對常規無人機而言，導航的作用是對無人機進行水平導航，根據軌跡生成相應的控制指令，保證無人機能夠按照既定路線完成飛行任務。

作為對小型無人機進行計算、控制和管理的中心，制導和飛控系統的構成可以分為導航設備、傳感器、伺服裝置、計算機等諸多部分，制導和飛控系統所應用體系結構的基礎為捷聯慣導系統，作為無框架系統的一種，捷聯慣導最突出的優勢在于其無需對復雜機電平臺加以應用，便可以完成對無人機速度、位置、航向等數據進行計算的工作，且計算結果準確度極高，除此之外，體積小、成本低和高可靠性也是該系統的優勢所在，將其與GPS相結合，并選擇具有較高性能的信號處理器作為核心，不僅可以大幅度提升處理速度，使任務管理、飛行控制都具備應有的實時性，還能夠在最大程度上對飛行過程具有的可靠性加以保障。傳感器構成主要為磁強計，氣壓計，三軸陀螺儀和三軸加速度計，對于固定翼無人機還有空速計；對于固定翼，伺服裝置的構成主要分為風門舵機，方向舵機以及升降副翼舵機三個部分，對于旋翼機為伺服電機[3]。

制導和飛控系統需要具備的功能如下：其一，對圍繞著機載電子系統開展的檢測工作進行控制；其二，對發射以及回收進行控制；其三，以小型無人機飛行速度以及高度為依據，對飛行控制參數進行自動變更；其四，對任務設備、飛行狀態所涉及的參數進行采集、編碼，并向記載測控單元進行發送；其五，對遙控指令進行接收和執行，改變無人機的飛行狀態；其六，和飛機系統、測量設備共同構成穩定飛行回路以及包括航向角、傾斜角在內的姿態角；其七，保證小型無人機能夠根據所給定偏航角、滾轉角以及俯仰角完成飛行任務；其八，以無線電的定位信息和GPS為依據，通過預編程的方式現實小型無人機的自主飛行，一旦有失控情況發生，小型無人機可視情況選擇自動返航或是自毀。

3 結束語

通過對上文所敘述的內容進行分析能夠看出，導航及制導技術對小型無人機具有十分重要的作用，文章以小型無人機的導航及制導技術作為切入點，從導航及制導系統的功能、體系等方面出發，完成了導航及制導體系的構建工作，以期能夠為后續圍繞著小型無人機所應用導航及制導系統開展的計算、仿真研究工作提供幫助，提高我國無人機領域的整體水平。

參考文獻：

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