小型無人機(jī)導(dǎo)航與制導(dǎo)關(guān)鍵技術(shù)

任涵

摘 要：文章所研究的內(nèi)容主要圍繞著小型無人機(jī)所應(yīng)用的導(dǎo)航及制導(dǎo)關(guān)鍵技術(shù)，首先分析了現(xiàn)階段所開展研究工作的進(jìn)展，然后通過理論與實(shí)際相結(jié)合的方式，以系統(tǒng)構(gòu)成、體系分析等方面作為切入點(diǎn)，對導(dǎo)航及制導(dǎo)技術(shù)的具體應(yīng)用展開了探究，供相關(guān)人員參考。

關(guān)鍵詞：小型無人機(jī)；導(dǎo)航技術(shù)；制導(dǎo)技術(shù)

中圖分類號：V249.1 文獻(xiàn)標(biāo)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(xué)技術(shù)發(fā)展速度極快的當(dāng)今社會(huì)，小型無人機(jī)開始被應(yīng)用在諸多領(lǐng)域之中，并且取得了一定的成績。小型無人機(jī)是指適合近距離、短程飛行的，能夠完成目標(biāo)巡查和災(zāi)害監(jiān)測工作的飛行器的一種，具有十分廣闊的發(fā)展前景，作為小型無人機(jī)所涵蓋諸多技術(shù)中相對核心的一項(xiàng)技術(shù)，導(dǎo)航及制導(dǎo)始終是專家和學(xué)者研究的重點(diǎn)，可以說只有保證導(dǎo)航及制導(dǎo)技術(shù)的合理應(yīng)用，小型無人機(jī)才能夠高質(zhì)量完成任務(wù)，因此，本文所研究內(nèi)容具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 小型無人機(jī)導(dǎo)航及制導(dǎo)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

對小型無人機(jī)而言，導(dǎo)航及制導(dǎo)關(guān)鍵技術(shù)的作用主要體現(xiàn)在廣域搜索以及識別目標(biāo)這兩個(gè)方面，一般來說，導(dǎo)航及制導(dǎo)系統(tǒng)由三個(gè)部分組成，分別是導(dǎo)引頭、目標(biāo)識別裝置還有導(dǎo)航裝置，經(jīng)由雙向數(shù)據(jù)鏈路完成信息的傳輸。小型無人機(jī)最突出的特點(diǎn)在于其體積較小，這也對所應(yīng)用導(dǎo)航及制導(dǎo)系統(tǒng)提出了全新的要求，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，微小型導(dǎo)航及制導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，將其應(yīng)用在小型無人機(jī)中，能夠幫助無人機(jī)更好的完成任務(wù)，可以說微小型導(dǎo)航及制導(dǎo)系統(tǒng)的出現(xiàn)在某種程度上推動(dòng)了我國小型無人機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展。

小型無人機(jī)所應(yīng)用的導(dǎo)航系統(tǒng)，是通過對衛(wèi)星導(dǎo)航、無線電導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、天文導(dǎo)航等多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行有針對性的組合所產(chǎn)生的，其中使用頻率較高的導(dǎo)航技術(shù)為慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航，MEMS技術(shù)的發(fā)展，又在將慣性導(dǎo)航與衛(wèi)星導(dǎo)航進(jìn)行結(jié)合的基礎(chǔ)上，達(dá)到了“微小型”的要求，無論是對小型無人機(jī)，還是對微型無人機(jī)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(tǒng)以及器件更加符合小型無人機(jī)的要求，但是現(xiàn)階段，我國圍繞著相關(guān)系統(tǒng)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(tǒng)以及器件的精度仍舊具有較大的上升空間。

2 小型無人機(jī)導(dǎo)航及制導(dǎo)系統(tǒng)的具體研究

從功能的角度對小型無人機(jī)進(jìn)行分析能夠發(fā)現(xiàn)，小型無人機(jī)通常是由偵查導(dǎo)引、數(shù)據(jù)鏈路、飛行器平臺等多個(gè)不同的分系統(tǒng)所構(gòu)成，其中，偵查引導(dǎo)系統(tǒng)就是本文重點(diǎn)研究的導(dǎo)航及制導(dǎo)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的作用是對無人機(jī)平臺所處的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行測量，保證小型無人機(jī)飛行的穩(wěn)定性，并通過對目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行測量的方式，完成與跟蹤目標(biāo)相關(guān)的指令的計(jì)算，保證小型無人機(jī)能夠按照既定軌跡完成飛行任務(wù)[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，小型無人機(jī)主要被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，而其需要完成的任務(wù)也由此而變得更加多樣化，導(dǎo)航及制導(dǎo)系統(tǒng)的存在能夠保證小型無人機(jī)完成自身使命，下面就圍繞著小型無人機(jī)的制導(dǎo)系統(tǒng)展開研究。

2.1 導(dǎo)航及制導(dǎo)系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1.1 引導(dǎo)裝置

引導(dǎo)裝置的作用是對小型無人機(jī)和目標(biāo)所處的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行探測，具體包括角速度量、速度矢量以及實(shí)際位置三個(gè)方面，需要注意的是，上文所提及的三個(gè)量可以與小型無人機(jī)所處運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系相對的量，也可以是與地面坐標(biāo)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(jī)和目標(biāo)的信息進(jìn)行處理，以所選擇引導(dǎo)規(guī)律和導(dǎo)航及制導(dǎo)回路參數(shù)與結(jié)構(gòu)為依據(jù)，完成相應(yīng)的處理工作并形成指令。

2.1.3 穩(wěn)定控制系統(tǒng)

為了避免小型無人機(jī)受外在因素干擾，導(dǎo)致無法根據(jù)既定路線平穩(wěn)的完成飛行工作，現(xiàn)階段，穩(wěn)定控制系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在了小型無人機(jī)之中，并通過對控制指令及相關(guān)信息進(jìn)行處理的方式，保證飛行狀態(tài)的有效更改，以及小型無人機(jī)自身穩(wěn)定性的提升。

2.2 導(dǎo)航及制導(dǎo)體系的分析

2.2.1 選擇導(dǎo)航及制導(dǎo)方式

與常規(guī)無人機(jī)相比，本文所研究無人機(jī)所對應(yīng)導(dǎo)航及制導(dǎo)系統(tǒng)的特點(diǎn)主要是高度的時(shí)間敏感性，因?yàn)橹挥羞@樣才能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)，因此，在對導(dǎo)航及制導(dǎo)方式進(jìn)行選擇時(shí)，也應(yīng)當(dāng)遵循這一原則。具體來說，制導(dǎo)體系的作用主要是對無人機(jī)加以控制，使其能夠準(zhǔn)確飛向目標(biāo)，那么，以下兩個(gè)功能就是制導(dǎo)體系所必備的：控制功能、導(dǎo)引功能。控制功能是指由小型無人機(jī)和飛控器共同構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)，該功能的作用是加強(qiáng)小型無人機(jī)的穩(wěn)定性并對其進(jìn)行控制；導(dǎo)引功能是指由小型無人機(jī)、飛控器、導(dǎo)引頭以及運(yùn)動(dòng)學(xué)環(huán)節(jié)共同構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)，該功能的作用是保證小型無人機(jī)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定進(jìn)行。小型無人機(jī)具有的特點(diǎn)決定了其對制導(dǎo)體系具有十分嚴(yán)格的要求，與紅外導(dǎo)引頭比較而言，利用地面無線電系統(tǒng)發(fā)送的位置信息進(jìn)行導(dǎo)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(jī)，因此，本文所討論小型無人機(jī)的導(dǎo)航及制導(dǎo)體系主要是通過地面無線電系統(tǒng)所發(fā)送的位置信息完成導(dǎo)引工作。

2.2.2 選擇導(dǎo)引規(guī)律

作為對小型無人機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)不可或缺的部分，導(dǎo)航及制導(dǎo)系統(tǒng)的工作原理是以導(dǎo)引頭所測定的、小型無人機(jī)相對目標(biāo)的實(shí)際飛行情況為依據(jù)，利用導(dǎo)引規(guī)律對小型飛行機(jī)預(yù)定位置和實(shí)際位置間存在的偏差進(jìn)行計(jì)算并形成相應(yīng)的導(dǎo)航及制導(dǎo)指令，以此來改變小型無人機(jī)飛行方向，讓其根據(jù)既定軌道飛向目標(biāo)，完成相應(yīng)的任務(wù)。導(dǎo)引規(guī)律不僅對小型無人機(jī)飛行過程中所遵循運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了描述，還對小型無人機(jī)的飛行參數(shù)與特性具有決定作用，因此，保證所選擇導(dǎo)引規(guī)律的科學(xué)性、合理性是十分重要的?，F(xiàn)階段使用頻率較高的導(dǎo)引規(guī)律主要由經(jīng)典和現(xiàn)代兩種，經(jīng)典導(dǎo)引規(guī)律的優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)簡單、所需信息量較少，正是因?yàn)槿绱?，?jīng)典導(dǎo)引規(guī)律較現(xiàn)代導(dǎo)引規(guī)律相比，使用范圍更加廣泛[2]。

對于本文重點(diǎn)研究的導(dǎo)航及制導(dǎo)體系而言，在完成特定任務(wù)前，首先應(yīng)當(dāng)判斷目標(biāo)特性，通過實(shí)踐不難看出，如果應(yīng)用比例導(dǎo)引，往往會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)失速、導(dǎo)引盲區(qū)等問題的出現(xiàn)，進(jìn)而對導(dǎo)引精度產(chǎn)生影響。除此之外，想要保證比例導(dǎo)引的實(shí)現(xiàn)，測量小型無人機(jī)和目標(biāo)之間的相對角速度也是很有必要的，在科學(xué)技術(shù)發(fā)展速度極快的當(dāng)今社會(huì)，用于該項(xiàng)測量工作中的元件已經(jīng)十分精確。綜上所述，由比例導(dǎo)引法、平行接近法和追蹤法共同組成的經(jīng)典導(dǎo)引規(guī)律較現(xiàn)代導(dǎo)引規(guī)律而言，更加符合小型無人機(jī)的要求。

2.3 導(dǎo)航及制導(dǎo)系統(tǒng)功能的分析

小型無人機(jī)的導(dǎo)引體系主要由導(dǎo)航及制導(dǎo)、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(jù)，對小型無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行改變，導(dǎo)航及制導(dǎo)則用于對控制指令進(jìn)行生成的過程中。對常規(guī)無人機(jī)而言，導(dǎo)航的作用是對無人機(jī)進(jìn)行水平導(dǎo)航，根據(jù)軌跡生成相應(yīng)的控制指令，保證無人機(jī)能夠按照既定路線完成飛行任務(wù)。

作為對小型無人機(jī)進(jìn)行計(jì)算、控制和管理的中心，制導(dǎo)和飛控系統(tǒng)的構(gòu)成可以分為導(dǎo)航設(shè)備、傳感器、伺服裝置、計(jì)算機(jī)等諸多部分，制導(dǎo)和飛控系統(tǒng)所應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)為捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，作為無框架系統(tǒng)的一種，捷聯(lián)慣導(dǎo)最突出的優(yōu)勢在于其無需對復(fù)雜機(jī)電平臺加以應(yīng)用，便可以完成對無人機(jī)速度、位置、航向等數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算的工作，且計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度極高，除此之外，體積小、成本低和高可靠性也是該系統(tǒng)的優(yōu)勢所在，將其與GPS相結(jié)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(wù)管理、飛行控制都具備應(yīng)有的實(shí)時(shí)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(gòu)成主要為磁強(qiáng)計(jì)，氣壓計(jì)，三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)，對于固定翼無人機(jī)還有空速計(jì)；對于固定翼，伺服裝置的構(gòu)成主要分為風(fēng)門舵機(jī)，方向舵機(jī)以及升降副翼舵機(jī)三個(gè)部分，對于旋翼機(jī)為伺服電機(jī)[3]。

制導(dǎo)和飛控系統(tǒng)需要具備的功能如下：其一，對圍繞著機(jī)載電子系統(tǒng)開展的檢測工作進(jìn)行控制；其二，對發(fā)射以及回收進(jìn)行控制；其三，以小型無人機(jī)飛行速度以及高度為依據(jù)，對飛行控制參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)變更；其四，對任務(wù)設(shè)備、飛行狀態(tài)所涉及的參數(shù)進(jìn)行采集、編碼，并向記載測控單元進(jìn)行發(fā)送；其五，對遙控指令進(jìn)行接收和執(zhí)行，改變無人機(jī)的飛行狀態(tài)；其六，和飛機(jī)系統(tǒng)、測量設(shè)備共同構(gòu)成穩(wěn)定飛行回路以及包括航向角、傾斜角在內(nèi)的姿態(tài)角；其七，保證小型無人機(jī)能夠根據(jù)所給定偏航角、滾轉(zhuǎn)角以及俯仰角完成飛行任務(wù)；其八，以無線電的定位信息和GPS為依據(jù)，通過預(yù)編程的方式現(xiàn)實(shí)小型無人機(jī)的自主飛行，一旦有失控情況發(fā)生，小型無人機(jī)可視情況選擇自動(dòng)返航或是自毀。

3 結(jié)束語

通過對上文所敘述的內(nèi)容進(jìn)行分析能夠看出，導(dǎo)航及制導(dǎo)技術(shù)對小型無人機(jī)具有十分重要的作用，文章以小型無人機(jī)的導(dǎo)航及制導(dǎo)技術(shù)作為切入點(diǎn)，從導(dǎo)航及制導(dǎo)系統(tǒng)的功能、體系等方面出發(fā)，完成了導(dǎo)航及制導(dǎo)體系的構(gòu)建工作，以期能夠?yàn)楹罄m(xù)圍繞著小型無人機(jī)所應(yīng)用導(dǎo)航及制導(dǎo)系統(tǒng)開展的計(jì)算、仿真研究工作提供幫助，提高我國無人機(jī)領(lǐng)域的整體水平。

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