《微型无人直升机技术研究现状与展望》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微型无人直升机技术研究现状与展望（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 6机器人技术与应用 0 . 引言 由于直升机较固定翼飞机而言，具有悬停等 灵活、 机动的飞行性能， 因此大多数研究机构选用 直升机作为微小型无人机的研究平台， 此外， 微型 无人直升机还被广泛用作空中机器人研究平台。 同 时源于这项技术在控制等领域的挑战性， 因此微型 无人直升机受到越来越多政府和研究机构的重视。 目前美国、德国、瑞典、 加拿大等国家均展开了微 型无人直升机的研究。其中美国主要是在D A R P A 、 N A S A 、A R L 等政府机构以及洛克马丁等一些相关厂 商的资助下， 由众多研究机构开展微型无人直升机 的研究计划。 卡耐基梅隆大学微型无人直升机已 于1 9 9
2、8 年夏完成了N A S A 资助的对加拿大北极圈的 部分地区进行高精度的地图绘制的项目计划。 反观 国内无人机的研究则集中于大型无人侦察机并进而 研究无人战斗机， 而对于微型无人直升机的研究较 少。 基于以上背景， 在对国内外微型无人直升机研 究的广泛调研基础之上， 本文侧重于从信息和控制 的角度对当前微型无人直升机系统结构、 技术发展 现状、存在的问题及其发展趋势做了综述。 1 . 微型无人直升机系统结构 图1 所示为微型无人直升机系统结构图， 整个 系统结构包括：微型无人直升机本体及其载荷系 统；飞行控制系统；数据通信系统。 无人直升机的 性能在很大程度上取决于它的飞行控制系统设计， 这
3、些性能包括各种飞行性能 （包括起飞着陆性能和 作业飞行性能） ， 飞行安全可靠性， 飞行可监控性， 系统可操作性和可维护性， 以及人机接口任务设置 友好性等。 微型无人直升机的飞行控制系统通常可 分为遥控及遥控自主复合型两种。 遥控型无人直 升机用于视距范围内由地面控制人员操纵飞行 ； 遥 控自主复合型无人直升机一般都用于视距外由地 面飞行控制人员监控下进行作业飞行。 微型无人直升机技术 研究现状与展望 ? 淳于江民 张 珩 中科院力学研究所 摘 要 本文介绍了微型无人直升机的系统结构，并以四种典型的微型无直升机系统为例，对比和分析了 微型无人直升机系统的具体实现， 从机载闭环控制算法和人机交
4、互两个方面阐述微型无人直升机技术的研究现 状。 在此基础之上， 提出了微型无人直升机研究中亟待解决的问题， 最后从信息控制角度， 就微型无人直升机 系统技术进一步发展中应当着重开展研究的四个前沿性技术提出了具体建议。 关键词 微型无人直升机；发展现状；闭环控制；人机交互 Abstract T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e s y s t e m s t r u c t u r e o f s m a l l - s i z e u n m a n n e d h e l i c o p t e r . W i t h f o u r t y
5、 p i c a l s m a l l - s i z e u n m a n n e d h e l i c o p t e r s y s t e m s p r e s e n t e d h e r e , t h e r e a l i z a t i o n o f t h e s y s t e m i s c o m p a r e d a n d a n a l y z e d . F r o m t h e c o n t r o l a l g o r i t h m o n b o a r d a n d h u m a n - m a c h i n e i n t
6、 e r f a c e a s p e c t s , t h e p r e s e n t s t a t u s o f t h e t e c h n o l o g y o f t h e s y s t e m i s e x p l i c a t e d . O n t h e b a s i s o f t h i s , t h e e x i s t i n g p r o b l e m s a r e p r o p o s e d . F r o m t h e a s p e c t o f i n f o r m a t i o n a n d c o n t
7、 r o l , f o u r s p e c i f i c s u g g e s t i o n s a b o u t t h e f r o n t i e r o f t h e t e c h n o l o g y o f s m a l l - s i z e u n m a n n e d h e l i c o p t e r i n t h e d e v e l o p m e n t a r e p u t t i n g f o r w a r d . Keyword s m a l l - s i z e u n m a n n e d h e l i c o
8、 p t e r ; p r e s e n t s t a t u s ; c l o s e - l o o p c o n t r o l ; h u m a n - m a c h i n e i n t e r f a c e 综述 2 0 0 4 . 6 7机器人技术与应用 表1 四种典型微型无人直升机的技术性能 综述 2 0 0 4 . 6 8机器人技术与应用 飞行控制系统的机上部分包括：三轴姿态稳 定与控制系统，发动机转速稳定和升力控制系 统，自主飞行控制和指挥系统，飞行轨迹和导航 控制系统，起飞与精确着陆（舰）飞控系统，及 飞行安全控制系统。飞行控制系统的地面部分包 括：飞行
9、操纵和指令系统，飞行监控及显示系 统，飞行定位系统，飞行自动指令系统。机上、 地面飞控系统通过无线数据通讯系统耦合为一个整 体系统。下面就以S t a n f o r d 大学、G e o r g i a 理工 大学、R o s e - H u l m a n 理工学院和中国科学院力学研 究所（I M C A S ）四个微型无人直升机系统（具体 性能见表1 ）为例，通过对各方面的性能比较和 分析，来说明微型无人直升机系统的具体实现。 2 . 微型无人直升机技术的研究现状 微型无人直升机技术涉及隐身技术、新材料 技术、微电子技术、计算机与信息处理、通信和 网络、控制、辨识、估计、人工智能等多领域
10、 理论和技术方法。限于篇幅本文不能一一述及。 鉴于微型无人直升机的性能在很大程度上取决于它 的飞行控制系统设计，所以这里仅就机载闭环控 制算法和人机交互两个方面来阐述当前微型无人直 升机技术研究现状。 2 . 1 机载自闭环控制算法 微型无人直升机控制包括飞行轨迹控制和飞行 姿态控制。一般来说，其轨迹控制又是通过姿态 控制来实现的。因此，姿态镇定是微型无人直升 机飞行控制系统设计的核心问题。直升机是不稳 定、时变、非线性、高阶和强耦合的多入多出 控制系统。设计直升机飞控系统要考虑到飞行包 线、飞行模态和通道等概念。不同飞行包线下， 直升机本身特性不断变化。譬如，直升机悬停、 前飞等状态的特性就
11、有显著差异，因此很难建立 统一的、精确的数学模型。此外，对于不同的 飞行模态需要设计不同的控制器结构和调整增益参 数。建模误差、周围外界因素引入的扰动以及传 感器噪声都会影响控制品质，因此良好的直升机 飞行控制器就必须具有鲁棒性和自适应性。直升 机飞行状态最终就是通过操纵面通道控制来实现。 对于直升机控制来说一般有4个操纵通道：俯仰 通道、横滚通道、偏航通道、高度通道。因此 解耦控制也在直升机飞行控制设计中扮演着十分重 要的角色。总之，完整的直升机飞行控制器设计 可以表述为：设计全飞行包线下能实现不同飞行 模态的鲁棒自适应解耦控制器。目前已有的控制 算法可分为两大类：基于模型的控制方法和非基
12、于模型的控制方法。 2 . 1 . 1 基于模型控制 目前，非线性系统控制规律设计的理论和方 法还不成熟。所以，一般是将直升机的非线性动 力学模型在悬停状态或者慢速前飞状态下线性化， 从而得到近似的线性化模型。基于得到的线性化 模型利用线性控制理论设计控制器。考虑到算法 的可靠性和计算复杂度等原因，实际的微型无人 直升机控制系统大多采用经典P I D 控制。例如德 克萨斯大学奥斯汀分校微型无人直升机系统，底 层控制是由两个P I D 控制器组成，内环P I D 控制器 使直升机保持期望姿态和高度，外环P I D 控制器 图1 微型无人直升机系统机械简图 综述 2 0 0 4 . 6 9机器人技
13、术与应用 接收经度、纬度和高度输入，输出姿态期望值， 作为内环的输入，从而完成对直升机的控制。此 外，M I M O 理论也被应用，如瑞士联邦技术研究所 设计了基于线性二次型控制的全状态反馈控制器。 为进一步提高系统鲁棒性，在控制器的设计方面 采用了和分析等理论设计控制器。如加州伯克利 分校利用分析设计鲁棒线性多变量控制器。 2 . 1 . 2 非基于模型控制 非基于模型的控制方法主要包括遗传算法、 模 糊控制与神经网络控制。 其优点是通过对飞行学习 获得系统模型，从而避开了动力学建模的复杂问 题， 具有自适应能力。 如南加州大学洛杉矶分校结 合了4 种控制方法：基于行为控制、模糊控制、神 经
14、网络控制、 示例学习。 采用基于行为的控制方式， 模糊控制器实现底层控制， 当控制性能不满足要求 时， 转由飞行员操作， 并通过神经网络在线学习这 些数据来调整模糊控制器的参数， 以此提高系统的 鲁棒性和自适应能力。 佐治亚理工大学采用基于神 经网络的自适应控制。 其中内环用于控制姿态， 外 环用于飞行路线控制。S u g e n o 等于1 9 9 5 年利用模 糊控制设计控制器， 结合专家知识和飞行数据来产 生和调整模糊控制规则及其参数。P h i l l i p s 等于 1 9 9 6 年结合遗传算法和模糊控制设计直升机的控制 器，其中遗传算法用于产生模糊控制规则。 也有学者将基于模型
15、和非基于模型的控制方法 结合设计控制器。如加州伯克利分校结合分析理 论、 遗传算法调参的模糊控制以及非线性跟踪控制 3 种控制方法来设计控制器，并由高层飞行管理系 统根据当前的飞行模态切换这3类控制器。 2 . 2 人机交互系统 相对于机载闭环控制系统而言，人机交互系 统则可以看作是将人置于控制系统回路的一个遥操 作大闭环控制系统。目前在微型无人直升机的人 机交互系统设计上有两种模式：1 . 无人干预完成 任务（强调无人自主飞行）2 . 在线有人干预（强调人 机结合完成复杂任务） 。 3 . 2 . 1 无人干预 因为过于强调飞行的无人干预程度， 因此大多 数的研究机构致力于实现完全无人干预的
16、飞行研 究。 根据地面控制中心和机载控制器在飞行过程中 的任务分配情况不同，又可以细分为以下两种： （1 ） 地面控制中心在直升机自主飞行中不承担 控制运算以及输出控制量。 这样飞行平台和地面控 制中心一般就需要完成4项任务： a . 下传实时飞行参数 b . 上传地面G P S 接收器获取的位置信息， 或者 飞行计划航向点的位置信息 c . 在线修改控制器的设定参数 （ 例如P I D 参数） d . 显示飞行过程中传回的图像信息 （一般有两 种方式， 用无线视频发射器下传图像信息， 然后地 面用无线视频接收机接收信息并显示， 或者是通过 无线以太网传输。 ） （2 ） 地面控制中心完成部分的控制运算， 并要 向飞行平台上传控制输出量 （这种做法主要是利用 地面控制中心完成复杂的控制算法， 来减轻机载控 制器的运算量， 也能减轻机载的负荷， 当前的机载 器处理器已经开始采用4 8 6 甚至更高主频的微处理 器。 ） 相对于第一情况， 在天地信息交互中增加了上 传控制输出量。 2 . 2 . 2 有人干预 由于受到无人概念的局限， 在设计无人
