無人機起飛與降落的控制技術分析研究

王斐斐

(臨汾市誠翰晟測繪科技有限公司， 山西 臨汾 041000）

無人機集群是由一定數量的無人機共同組成， 以交感網絡為基礎， 整體具有能力涌現特點的空中移動多智能體系統。 相比于追求將所有功能集成于一身的傳統飛行器， 無人機集群具有多智能體系統的諸多優點， 如感知與執行的分布式與并行性、 冗余性、 容錯性、 單個成本的低廉性及整體功能的涌現性。 尤其是近年來隨著計算機技術、 無線移動網絡技術、 控制技術、 多智能系統理論、 復雜網絡科學的迅猛發展， 以協同飛行控制為核心的無人機集群已成為飛行器發展的新趨勢。 當前， 各軍事強國普遍認為無人機集群作戰將是未來顛覆性的作戰樣式， 也是通信、 網絡、 控制和機器人等學科重要的研究方向。

1 飛控系統設計

在本次系統設計中， 遙控器作為上位機，12864OLED顯示模塊、 參數、 搖桿和旋轉編碼器模塊， 使用CC2541 藍牙模塊進行數據傳輸通信， 旋轉編碼器在控制中作為油門控制， 方向桿可用于控制無人機前后左右飛行， 下位機為四旋翼無人機， 采用四個空心杯電機作為動力源， 六個LED作為人機交互信號源 （其中四個位于近電機處）， 使用6 軸姿態傳感器MPU-6500 采集無人機姿態信息， CC2541 藍牙模塊與遙控器進行數據傳輸通信， 采用STM32F373CCT6作為MCU處理器。

2 起飛控制過程

無人機起飛和普通飛機相同， 升空之前要先在跑道中滑行， 在滑行到起飛點之后加速滑跑， 提升了滑動速度之后， 前輪離地并且呈現飛迎角， 指導無人機能夠完全地脫離地面。 無人機基于發動機動力作用而在滑行之后起飛， 并且在無人機的起飛過程中， 滑跑糾偏管控具有極為關鍵的作用， 可是因為無人機自身結構存在不對稱， 同時因為風向、 氣流等諸多因素的影響， 無人機滑跑中極易產生偏離跑道的狀況， 并且為了規避飛行事故的產生， 要求對滑跑進行糾偏操作， 以此來保證起飛的安全性， 在無人機滑跑糾偏管控方面的研究不夠全面， 基于對前輪轉彎的管控方式收效不佳， 因此在對無人機起飛管控相關技術的探究中， 一定要強化提升滑跑糾偏方面的有效管控。

2.1 智能干擾下無人機協同傳輸技術

抗智能干擾方面， 無人機具有機動性、 智能性以及軌跡可控等特點， 為無人機協同傳輸增加了可利用和可優化的動態資源。 “機動性” 使得無人機可以進行位置部署優化和移動中繼選擇最大化用戶的通信能力； “智能性” 使無人機可以智能調整協同方式、 友好干擾功率大小和其他可優化的策略來最大化對智能攻擊者的對抗； “軌跡可控” 使得無人機可以通過調整其飛行軌跡對抗智能攻擊者位置隱蔽性和移動性帶來的傷害， 提升用戶在未知攻擊位置下的穩健通信能力。 智能干擾下， 干擾者通常可以通過自適應地調整其干擾功率和干擾信道來最大化其對合法用戶正常通信的破壞。 合法用戶也可以通過功率控制和信道分配等策略來對抗智能干擾者。 此外， 友好干擾和協同中繼等協作節點的引入能進一步增強合法用戶的抗智能干擾能力。 由于智能干擾者和合法用戶是完全對立且非合作的， 因此很難獲取其干擾策略和位置信息等。為了對抗這種可以采用不同干擾策略的智能攻擊者，合法用戶可以借助博弈論建模它們之間的對抗關系，并通過機器學習算法獲取最佳的功率分配和信道接入等對抗策略。

2.2 雙機協同位姿追蹤仿真

當雙機進行協同搬運任務時， 通過仿真結果驗證控制策略的有效性以及控制器的控制性能。 考慮主機以及負載運動對從機的影響， 并根據選取的連接關節， 假定負載對從機的力作用于從機的質心.若沒有外力作用， 則前述控制方案簡化為底層的位置姿態控制器， 但是由于系統內外的干擾， 會導致估計的力不為零， 所以對于導納控制器設計一個控制 “開關”，只有當估計的力高于某一閾值時， 導納控制器啟動，反之， 對于較小的力， 導納控制器不啟動。

2.3 姿態信息反饋調整

引入負反饋使系統工作穩定， 通過陀螺儀將無人機的當前姿態信息 （姿態角） 反饋到單片機中， 再與設定的參照姿態進行對比， 根據姿態角偏差調整輸出的PWM， 使無人機處于動態平衡平穩飛行。 無人機參照姿態角使用的是三維地理參照系， 地理坐標系滿足右手定律。 每一個物體也可以定義一個機體坐標系， 當飛機機頭朝正北方向， 機身垂直于天空時， 機體坐標系與地理坐標系重合， 此時角度差為0， 其他時刻會存在角度差， 無人機的姿態控制實質上就是保持旋轉之后的機體坐標系的與地理坐標系的角度差。MPU6500 采集到的實際上是X、 Y、 Z軸方向的加速度與 YAWING、 PITCHING、 ROLLING三個角速度，將獲取到的角速度轉變成角度信息還需要根據角度是角速度的積分這一關系進一步計算。 在本次設計中主要采用了歐拉角和四元數求解法。

3 無人機的降落

實際上， 無人機和普通飛機降落的方式相同， 也就是說無人機在準備降落的時候， 先需要在一定高度中平飛， 平飛一定時間后下滑， 高度隨之下降， 指導和地面接觸后， 無人機的發動機不再繼續旋轉。 無人機實際降落的過程， 一般可劃分為： 1） 進場。 這個過程是無人機準備降落的時期， 預降落無人機會持續一定的飛行高度、 速度， 并且將其調整到要求的范圍內； 2） 軌跡捕獲。 在軌跡捕獲期間， 無人機和跑道還存在一定距離， 但是， 已經開始打開了下滑窗口，開始為下滑操作做準備了； 3） 下滑。 下滑期間， 無人機順著直線下滑， 而下滑的速度和姿態是不變的；4） 拉平。 無人機在下滑的同時， 高度也隨之下降，基本上是處于拉平飄落的狀態， 這時會形成迎角， 并且確保后輪著地， 之后再對下滑速度進行降低； 5）地面滑行。 無人機著陸后要確保一定時間內的地面滑行， 滑行了一段距離后才能完全停止運行。

3.1 智能干擾下的無人機協同傳輸中的單跳移動中繼優選

考慮攻擊者工作在智能干擾模式下， 可以通過調整干擾功率等策略降低無人機用戶的傳輸速率。 在無人機的飛行軌跡是預定且已知的情況下， 擬將無人機動過程中的移動中繼節點選擇問題建模為動態斯坦伯格博弈， 研究分布式、 快速的無人機單跳中繼選擇策略。 根據預知的飛行軌跡指導中繼節點選擇決策， 充分利用無人機飛行過程中所帶來的中繼傳輸機會， 協助增強智能干擾下的無人機用戶的通信能力。

3.2 四旋翼無人機棲停軌跡設計方法

棲停軌跡設計是要在滿足軌跡約束的前提下獲得動力學可行的飛行軌跡。 目的在于為跟蹤控制算法提供一個可行的且滿足運動約束的參考輸入， 使無人機在控制算法引導下， 始終圍繞該預設軌跡進行運動控制。 本文提出采用 “開環軌跡+起始點裝配” 的思想來設計軌跡， 所獲得軌跡為動力學可行但并非最優。但是規劃軌跡是動力學可行的且滿足棲停運動約束，具有計算高效的優勢。 無人機縱向運動的加速度僅由俯仰角和推力總和兩個因素決定， 因此， 開環軌跡可根據運動約束對俯仰角與推力總和的時序曲線進行設計， 從而獲得開環運動軌跡。 第二步， 根據棲停時刻的約束以及開環運動軌跡， 求解軌跡起始時刻的運動狀態， 將無人機起始點在此位置進行裝配， 建立全過程運動軌跡。

3.3 人機協同技術

在有人/無人機協同作戰C2 系統設計中， 需要提供一定技術手段， 采用人機協同技術， 實現人機智能融合.對敵方目標攻擊行動為例下的人機協同架構.該架構中， 無人機層面主要進行信息匯聚和決策推理， 信息匯聚是對本地狀態信息、 外部環境信息和攻擊目標信息進行收集和處理； 決策推理是基于各類信息進行態勢推理， 主要包括攻擊優勢評估和威脅程度評估， 并生成最終自主攻擊決策結果； 有人機層面是指揮員在智能輔助決策分系統輔助決策下， 實現對無人機的監督控制.通過無人機自主決策和有人機 （指揮員） 監督控制， 實現人機決策交互.由于人機決策優勢和特點的不同， 要求人機采用不同的決策機制.在對敵方作戰目標攻擊過程中， 無人機主要采用推理（如混合模糊認知圖） 方法， 進行目標攻擊自主決策，包括武器檢測和態勢估計2 個模塊

4 結語

綜上所述， 雖然無人機實際應用的優勢非常顯著， 特別是應用于軍事、 農業、 科研、 測繪等領域中。 可是， 在實際應用中能夠獲悉， 無人機起飛、 降落管控技術中依然有很多問題， 要求相關工作者基于實際問題進行合理深入研究與設計， 積極應用現代化技術手段， 強化提升無人機實際起飛、 降落操作中的自動化， 基于此讓無人機對現代人訴求進行有效滿足， 降低外界因素產生的制約影響。