無人機吊掛飛行控制技術綜述

齊俊桐，平 原

（天津大學電氣與自動化工程學院，機器人與自主系統(tǒng)研究所，天津 300072）

1 引言

當今，無人機以自身獨特的優(yōu)勢獲得了極大的發(fā)展，在軍用、警用、國土安全，災害預警，線路巡檢和影視航拍，通訊，農業(yè)，環(huán)境保護等諸多領域有著廣范應用。特別是在當下人工智能的時代浪潮中，其研究成果也是日新月異，物流運輸已成為無人機重要的應用方向之一。無人機作為一個理想的作業(yè)平臺，吊掛飛行是其遂行任務之一。它具有靈活的機動性，可以在其它運輸工具難以到達的地方，快速、高效地開展物資運輸投放作業(yè)；而且無需考慮地理環(huán)境，不受陸地交通運輸的管制，操作簡單易上手；再者，采用吊掛形式的運輸不用擔心吊掛物外形的影響[1]。因次，吊掛無人機在軍事和民用領域得到了越來越廣泛的應用[2]。然而無人機在吊掛物體飛行時，其系統(tǒng)穩(wěn)定性會受到來自吊掛物體擺動的影響，這也是國內外高校和研究團隊關注和研究的焦點[3-5]。

2 吊掛無人機飛行控制特點

吊掛無人機是一個多變量、非線性、強耦合、時變、欠驅動的高階耦合系統(tǒng)，是一個復雜的被控對象，其主要特點體現在以下幾個方面[6-9]：

（1）建模難度大。對于無人平臺柔性吊掛這樣的多自由度復合結構的控制有著其自身特殊的技術難點，并不能通過無人機和垂吊物各自建模、控制與規(guī)劃方法的簡單組合來解決，而且很難建立精確的全機動力學模型，這對吊掛無人機控制系統(tǒng)的魯棒性提出了極大的挑戰(zhàn)。

（2）耦合特性嚴重。無人機本身存在嚴重的耦合，而吊繩和吊掛物的引入則改變了系統(tǒng)整體氣動布局，進而加劇了耦合。

（3）全機動力學特性復雜。面向任務作業(yè)過程中無人機、垂吊物、降落目標相對運動，加之隨機的環(huán)境擾動，使其產生復雜的全機動力學特性。使得垂吊物與降落地面接觸過程中兩者之間的作用力/力矩及隨機的外力/力矩擾動將使系統(tǒng)動力學模型呈獻較多不確定結構和參數。

3 國內外發(fā)展及技術研究現狀

吊掛無人機是近年來出現的一個新概念，就目前公開發(fā)表的相關文獻來看，其研究成果還比較少。尤其在型號無人機方面，由于一直是世界各國軍方推崇的裝備，相關研究屬于機密，目前一些發(fā)達國際的研究成果也未公開發(fā)表。

圖1 K- MAX吊掛無人直升機

圖2 MQ- 8C吊掛無人直升機

在大型吊掛無人機研究方面，就目前來看其技術相對成熟的當屬美國和以色列，比如美國的格魯門公司，以色列飛機工業(yè)公司馬拉特分部等，在型號無人機方面都具有相當成熟的技術成果。其次技術比較成熟的是英國、德國、意大利、法國等歐洲發(fā)達國家。此外日本的雅馬哈公司在這方面的研究也是居世界前列[7]。但是，對于執(zhí)行外吊掛運輸任務的無人直升機來說研究成果相對較少，公開發(fā)表的文章也寥寥無幾。我們可以看到的，如美國卡曼公司的K-MAX和洛克希德馬丁公司的MQ-8C都是專門用來執(zhí)行機外吊掛運輸任務的無人直升機。K-MAX無人直升機目前已經可以達到自主飛行的技術水平，并且在阿富汗戰(zhàn)場上成功執(zhí)行了吊掛運輸補給任務[8]。2015年6月，卡曼公司Aerosystems部門恢復K-MAX載重直升機的生產。K-MAX載重直升機在世界各地用于消防、日志記錄和其他要求高載重的任務。2017年5月份，K-MAX進行了恢復生產以來的首飛測試[10]。

國內對無人直升機的研制始于“八五”期間。發(fā)展至今，雖然取得了一定的成果，但是在飛行控制和動力等關鍵技術方面跟國外相比差距依然很大，多數的核心元件需要進口，并且在研制模式上基本是對國外的成熟機型進行仿制或對有人機進行無人化改造。《裝備預先研究技術成熟度評價標準》把我國工業(yè)無人直升機的技術成熟度列為7級（共9級）。技術相對較為成熟的為中航工業(yè)602所，其次是總參謀部60所，最后是以北京中航智科技有限公司為首的民營企業(yè)[11，12]。但是，對于執(zhí)行吊掛運輸任務無人機的研究成果在國內還尚未出現。

20世紀中期到90年代是利用直升機開展吊掛運輸作業(yè)的研發(fā)初創(chuàng)期，但由于關鍵技術問題不能很好解決，研制進程緩慢。隨著飛控技術的突破以及復合材料、動力、傳感器等核心技術的快速發(fā)展及廣泛應用，加之軍方在高技術戰(zhàn)場偵察的需要，我國越來越重視無人直升機的研究，確保逐步實現智能化、多元化[13]。但是，對于無人平臺柔性吊掛這樣的多自由度復合結構的控制有著其自身特殊的技術難點，并不能通過無人機和垂吊物各自建模、控制與規(guī)劃方法的簡單組合來解決，這對吊掛無人機控制系統(tǒng)的魯棒性提出了極大的挑戰(zhàn)。因此，現有用于無人機控制技術還不能完全應用于吊掛無人機上面。

雖然目前對吊掛無人機的研究成果較少，但是針對非吊掛無人機的飛行控制，國內外學者進行了廣泛的研究，對此還是有一定借鑒意義的。從經典PID 控制到現代控制理論再到人工智能控制，在理論上和實際型號應用上都取得了一定成果，如表1所示。目前主要的控制方法有：魯棒H∞控制[14-20]、LQR控制[21-23]、特征結構配置[24，25]、變結構控制[26-28]、MPC控制[29-32]、動態(tài)逆控制[33-36]、神經網絡[37，38]、模糊控制以及顯模型跟蹤控制等[39-44]。

圖3 貨物吊取的原型

圖4 無人機對運動物體的吊取

圖5 旋翼無人機吊掛負載飛行演示實驗

在小型吊掛無人機方面，其概念已經得到初步驗證。德雷克賽爾大學自主系統(tǒng)實驗室[45]研究并完成了旋翼機自主跟蹤、負載吊取、車輛部署的作業(yè)。通過懸吊在機架下的吊取裝置對整個系統(tǒng)展開了驗證。德國的蒂賓根生物控制研究所采用仿真旋翼無人機重點研究了無人機與負載之間的相對軌跡跟蹤，并且在仿真環(huán)境下實現了對動目標的抓取。上述驗證案例均未進行樣機的實際試飛試驗。

新墨西哥大學計算機科學系[45]設計并實現了基于干擾觀測器的旋翼無人機分層控制的自主飛行，提出了一種運動規(guī)劃方法，用于生成懸掛載荷的旋翼飛行無人機具有最小剩余擺動（無擺動）的軌跡，并通過計算機模擬和室內演示實驗初步驗證了結果。

不難發(fā)現，目前這些系統(tǒng)只是在旋翼無人機系統(tǒng)上增加簡單吊取裝置來驗證整個概念的基本可行性，而無人機吊掛系統(tǒng)是一個多變量、非線性、強耦合、欠驅動的復雜被控對象。無人機吊掛飛行時，吊掛負載的擺動會直接影響到無人機的飛行穩(wěn)定性。柔性吊掛自身的復合自由度以及其所處的復雜擾動環(huán)境使其同現有的具有作業(yè)能力的其他無人平臺系統(tǒng)相比，具有特殊的控制難點，而且這些難點并不能通過旋翼無人機和吊掛系統(tǒng)各自建模、規(guī)劃與控制方法的簡單組合來解決。這些問題正是相關研究機構的研究重點，且已經逐漸成為了無人機研究領域的一個新熱點。但到目前為止，系統(tǒng)性、理論性的研究成果尚未出現。

卡內基梅隆大學研究院[48]在動力學模型建立方面考慮吊掛纜繩的彈性和阻尼特性，推導出一個無坐標系統(tǒng)的動力學模型。經過數值仿真表明，針對非彈性纜繩的情況開發(fā)的幾何控制器仍然適用于彈性纜繩的情況。文獻[49]將吊掛纜繩簡化成剛性連接桿，文獻[50]研究了吊掛負載對旋翼無人機動力學特性的影響，并討論了在吊掛負載的影響下旋翼無人機的飛行穩(wěn)定性及其相應的控制方案。文獻[51]研究了因吊掛負載的擺動而引起旋翼無人機系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，并重點分析了擺動產生的基本條件及原因，以及懸掛點位置、不確定載荷質量等對無人機和吊掛負載耦合運動的影響。文獻[52，53]搭建了四旋翼吊掛負載時的三維動力學模型，并研究了吊掛負載的干擾對四旋翼的飛行穩(wěn)定性的影響。綜合上述分析，吊掛點、載荷質量和動力學模型等與吊掛無人機飛行特性密切相聯，在加裝吊掛裝置時要充分考慮其構型及結構參數等引起的整體耦合系統(tǒng)的變化，降低上述因素對飛行穩(wěn)定性和可控性的影響。

為了保證無人機系統(tǒng)能夠在吊掛物擺動時保持穩(wěn)定的飛行狀態(tài)，需要對無人機系統(tǒng)的協調規(guī)劃和控制問題進行研究。在這方面研究做的比較好的是特拉華大學（University of Delaware）的Agrawal等人。相關研究人員對無人機系統(tǒng)裝載一個纜繩掛載機器人在搬運貨物時二者的協調問題開展了深入研究[54]。挪威科技大學研究人員[55]開發(fā)了基于反推技術的非線性跟蹤控制器，除了抑制擺動負載的影響之外，控制器還可以補償未知的恒定風力擾動，通過開環(huán)整形濾波器規(guī)劃無路徑來減小懸掛載荷的擺動。瑞士蘇黎世大學、美國麻省理工學院Foehn P和Tedrake R等人[56]提出了一種快速軌跡優(yōu)化算法，并能夠將軌跡優(yōu)化問題轉化為帶有互補約束的數學程序（MPCC）。美國賓夕法尼亞大學的研究人員基于微分平滑（Differential Flatness）方法設計了針對平面四旋翼無人機吊掛系統(tǒng)的控制器，實現了針對平面四旋翼無人機吊掛系統(tǒng)的軌跡生成和跟蹤，并將這種控制放大擴展到三維環(huán)境[57]。利用幾何控制（Geometric Control）和微分平滑方法，達到了四旋翼無人機吊掛系統(tǒng)幾乎全局指數穩(wěn)定的控制效果[58]。

上述規(guī)劃與控制方法或許對于特定的模型不確定性參數具有一定的魯棒性/自適應性，又或許對于單純的外界干擾具有一定的不確定性。但是，由于動力學模型的不確定性是深入到模型結構的不確定性，因此這些方法即使對于無人機系統(tǒng)的自主控制仍然難以取得較好的控制性能。

在國外研究取得初步進展的同時，我國也開始意識到無人機面向自主任務作業(yè)的重要性和迫切需求。中國航空工業(yè)集團在2013年成功舉辦了國際無人飛行器大獎賽，在旋翼組的競技類比賽中設置的比賽任務中，以運動中艦船間的空中補給為背景，要求無人機在兩個移動平臺之間實現自主定位抓取，運送和碼放物資的作業(yè)。以任務完成精準度和完成時間作為考核指標。該比賽吸引了來自新加坡國立大學、清華大學、北航和南航等國內外眾多高校研究團隊參加。最終，只有中科院沈陽自動化研究所成功抓取全部物資并完成碼放作業(yè)，同時以總分第一名獲得冠軍。

此外，近年來國內高校也相繼開展了對吊掛無人機的控制研究，取得了一定的成果。中科院沈陽自動化研究所韓建達等人[59]設計了四旋翼懸掛負載系統(tǒng)的滑?？刂?，驗證了對負載擺動和系統(tǒng)不確定性的強魯棒性以及良好的跟蹤控制性能。天津大學鮮斌教授團隊針對四旋翼無人機吊掛飛行系統(tǒng)，設計了一種新型控制策略，建立四旋翼無人機吊掛系統(tǒng)的數學模型，將吊掛負載看作由剛性繩懸掛在四旋翼無人機重心位置的質點，通過能量分析的方法設計了針對此系統(tǒng)的非線性控制器。經仿真驗證，可以在抑制吊掛負載擺動的同時將四旋翼無人機移動到目標位置[60]。華中科技大學杜沛力等人，針對無人機攜帶吊掛負載物的系統(tǒng)通過結構分析進行數學建模得到三維空間中四旋翼無人機運動特性與負載物擺動之間關系，提出以二型模糊集合描述該不確定性較多的系統(tǒng)，設計了二型模糊控制器對無人機空間位置及負載物擺動進行控制，通過仿真結果證明了二型模糊控制能達到控制無人機位移及抑制負載物擺動的效果，驗證了無人機攜帶吊掛負載應用的可行性以及面對外界干擾的魯棒性[61]。

圖6 國際無人飛行器大獎賽任務示意圖

4 結論

無人機因其獨特的優(yōu)勢，越來越受到國內外高度重視。通過上述對吊掛無人機的飛行控制技術的綜述不難發(fā)現，該技術真正應用在可執(zhí)行遂行任務上的無人機面臨的技術問題依然艱巨。尤其對于吊掛無人機來說，其自身復雜特殊的運動機理將是我們面臨的重大難題。就目前發(fā)展來看，對于吊掛無人機的研究仍然存在著諸多挑戰(zhàn)。但是隨著相關技術的不斷迭代和成熟，尤其是隨著以人工智能為代表的信息技術的突破性進展和廣泛應用，無人機必將得到更進一步的發(fā)展，并將深刻改變人們的生活方式、改變行業(yè)應用模式，也將改變未來戰(zhàn)爭的形式[62-63]。而對于面向自主任務作業(yè)的吊掛無人機來說也必然會有美好的發(fā)展前景。

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