艦載無(wú)人直升機(jī)自主著艦方法研究

吳鵬飛，石章松，閆鵬浩

(1. 海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033；2. 海軍航空大學(xué)，山西 長(zhǎng)治 046000)

0 引 言

艦載無(wú)人直升機(jī)是裝備在艦船上的無(wú)人飛行器，主要用于執(zhí)行戰(zhàn)場(chǎng)偵察、電子對(duì)抗、炮火校正、瞄準(zhǔn)打擊、中繼制導(dǎo)等危險(xiǎn)任務(wù)[1]。艦載無(wú)人直升機(jī)具有重量輕、體積小、無(wú)人員傷亡、部署方便等優(yōu)點(diǎn)，可在復(fù)雜的氣象、海況條件下使用，且不受飛行人員體能消耗的局限。艦載無(wú)人直升機(jī)自主著艦是指無(wú)人直升機(jī)依賴(lài)機(jī)載的導(dǎo)航和控制系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行定位引導(dǎo)并最終控制其降落在艦船上的過(guò)程。自主著艦使無(wú)人直升機(jī)降低了對(duì)艦船輔助設(shè)備的要求，尤其在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，艦船遭受打擊破壞時(shí)，更能體現(xiàn)出自主著艦具有的重要意義。

隨著現(xiàn)代海戰(zhàn)的發(fā)展，我國(guó)艦艇編隊(duì)的日益成熟，無(wú)人直升機(jī)自主著艦的技術(shù)需求越來(lái)越迫切，而國(guó)內(nèi)目前對(duì)無(wú)人直升機(jī)自主著艦的研究較多存在于理論研究中，工程應(yīng)用較少，與國(guó)外存在很大差距，因此，更加成熟的艦載無(wú)人直升機(jī)自主著艦方法研究已經(jīng)提上日程。

1 現(xiàn) 狀

近年來(lái)，隨著艦載無(wú)人直升機(jī)的迅速發(fā)展，相應(yīng)的自主著艦技術(shù)也逐漸展開(kāi)，無(wú)人直升機(jī)自主著艦系統(tǒng)復(fù)雜、涉及學(xué)科范圍廣、技術(shù)難度高，在全球范圍內(nèi)僅少數(shù)國(guó)家實(shí)現(xiàn)了無(wú)人直升機(jī)自主著艦[2]。典型的案例有法國(guó)SADA系統(tǒng)引導(dǎo)S100無(wú)人直升機(jī)在5級(jí)海況下于“蒙特卡姆”號(hào)驅(qū)逐艦上成功著艦（見(jiàn)圖1）；美國(guó)的火力偵察兵于2006年實(shí)現(xiàn)了自主著艦；奧地利S100無(wú)人直升機(jī)采用差分GPS在許多國(guó)家艦船上實(shí)現(xiàn)自主著艦。目前國(guó)外自主著艦的引導(dǎo)方法主要分為衛(wèi)星引導(dǎo)、雷達(dá)引導(dǎo)和光電引導(dǎo)3類(lèi)[3]。其原理是利用不同的傳感器測(cè)量機(jī)艦相對(duì)位置，計(jì)算飛行控制所需的位姿參數(shù)，引導(dǎo)無(wú)人直升機(jī)順利著艦。而國(guó)內(nèi)目前沒(méi)有無(wú)人直升機(jī)自主著艦的實(shí)例。

2 無(wú)人直升機(jī)自主著艦流程

2.1 總體流程

結(jié)合無(wú)人直升機(jī)自主著艦實(shí)際，可以將無(wú)人直升機(jī)自主著艦過(guò)程分為3個(gè)階段：1）無(wú)人直升機(jī)自主返航接近艦艇，直至位于艦艇附近一固定點(diǎn)并與艦艇同速同向飛行；2）無(wú)人直升機(jī)以水平側(cè)飛的方式飛行到降落平臺(tái)正上方；3）無(wú)人直升機(jī)相對(duì)于航行中的艦艇擇機(jī)垂直降落[4]。其著艦過(guò)程如圖2所示。

圖 2 無(wú)人直升機(jī)著艦過(guò)程Fig. 2 The process of unmanned helicopter autonomous landing

無(wú)人直升機(jī)著艦過(guò)程中著艦系統(tǒng)總體工作流程如圖3所示。

2.2 各階段工作流程

在著艦第一階段，采用差分GPS引導(dǎo)無(wú)人直升機(jī)飛行，直至進(jìn)場(chǎng)點(diǎn)，系統(tǒng)工作流程圖如圖4所示。

在引導(dǎo)無(wú)人直升機(jī)返航后，無(wú)人直升機(jī)聯(lián)合多傳感器對(duì)著艦環(huán)境進(jìn)行感知，然后在著艦過(guò)程中根據(jù)環(huán)境特征信息對(duì)無(wú)人直升機(jī)進(jìn)行相對(duì)位姿估計(jì)，并根據(jù)位姿信息控制無(wú)人直升機(jī)飛行，著艦第2和第3階段系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

圖 3 無(wú)人直升機(jī)自主著艦工作流程Fig. 3 The working process of unmanned helicopter autonomous landing

圖 4 著艦第一階段系統(tǒng)工作流程圖Fig. 4 Flow chart of the first stage of landing system

圖 5 著艦第2和第3階段系統(tǒng)工作流程圖Fig. 5 Flow chart of the second and third stages of landing system

3 系統(tǒng)模塊組成

根據(jù)無(wú)人直升機(jī)自主著艦流程，可以將無(wú)人直升機(jī)自主著艦系統(tǒng)設(shè)計(jì)成幾個(gè)模塊（見(jiàn)圖6），包括差分GPS引導(dǎo)模塊、環(huán)境感知模塊、位姿估計(jì)模塊和著艦控制模塊。

3.1 差分GPS引導(dǎo)模塊

差分GPS是目前GPS測(cè)量中定位精度最高的定位方法，又叫相對(duì)定位。通過(guò)在降落艦船上安裝基站，無(wú)人直升機(jī)在返航過(guò)程中接收基站發(fā)送的改正數(shù)，并對(duì)GPS測(cè)量結(jié)果進(jìn)行改正以獲得精密定位的結(jié)果。差分GPS引導(dǎo)模塊其實(shí)是聯(lián)合差分GPS和IMU（慣性測(cè)量單元）的引導(dǎo)模塊，通過(guò)差分GPS和IMU對(duì)無(wú)人直升機(jī)進(jìn)行位置和姿態(tài)估計(jì)，并將位姿信息傳遞給控制系統(tǒng)控制無(wú)人直升機(jī)飛行，圖7為基本差分GPS系統(tǒng)組成。

圖 6 自主著艦系統(tǒng)組成Fig. 6 Composition of the autonomous ship system

圖 7 基本差分GPS系統(tǒng)Fig. 7 Basic differential GPS system

3.2 環(huán)境感知模塊

環(huán)境感知模塊將多個(gè)環(huán)境感知傳感器集成到一起，包括激光雷達(dá)和視覺(jué)傳感器等。它的作用是融合多傳感器信息對(duì)艦艇環(huán)境進(jìn)行感知，識(shí)別出著艦環(huán)境中的障礙物和著艦標(biāo)志等環(huán)境信息，在環(huán)境信息中提取出可利用的特征信息對(duì)無(wú)人直升機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航[5]。聯(lián)合多傳感器可以提高環(huán)境感知速度和準(zhǔn)確度，進(jìn)而提高位姿估計(jì)精度。將多傳感器進(jìn)行集成可以減小傳感器的重量和體積，以減輕無(wú)人直升機(jī)的負(fù)載。

3.3 位姿估計(jì)模塊

位姿估計(jì)模塊是根據(jù)傳感器信息對(duì)無(wú)人直升機(jī)的位置和姿態(tài)進(jìn)行解算，著艦第1階段的傳感器信息為差分GPS和IMU的量測(cè)信息，著艦第2和第3階段的傳感器信息為激光雷達(dá)、視覺(jué)和IMU的量測(cè)信息。無(wú)人直升機(jī)要真正實(shí)現(xiàn)自主著艦，必須在位姿估計(jì)模塊中嵌入SLAM算法框架?！巴蕉ㄎ慌c地圖構(gòu)建（SLAM）”技術(shù)主要解決無(wú)人平臺(tái)的位姿估計(jì)問(wèn)題與環(huán)境特征的定位問(wèn)題，是實(shí)現(xiàn)無(wú)人系統(tǒng)真正自主的關(guān)鍵[6]。一個(gè)完整的無(wú)人平臺(tái)同步定位與地圖構(gòu)建問(wèn)題處理過(guò)程如圖8所示。

圖 8 SLAM處理流程Fig. 8 The SLAM process

3.4 著艦控制模塊

目前我國(guó)控制直升機(jī)著艦的方法大多為PID控制，這種方法設(shè)計(jì)過(guò)程透明，原理清晰明了，簡(jiǎn)單實(shí)用，設(shè)計(jì)人員依靠豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，使用多樣化的調(diào)參方法，可以設(shè)計(jì)出性能比較好的飛行控制系統(tǒng)。但是，無(wú)人直升機(jī)自主著艦對(duì)控制系統(tǒng)的精度和魯棒性要求很高，尤其在高海況條件時(shí)，經(jīng)典PID方法難以滿(mǎn)足控制性能的要求。要實(shí)現(xiàn)無(wú)人直升機(jī)安全地自主著艦，則要求其在保證環(huán)境信息感知準(zhǔn)確的前提下能夠結(jié)合自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完成對(duì)飛行軌跡的合理控制，考慮在控制模塊中加入甲板預(yù)估器[7]。通過(guò)甲板運(yùn)動(dòng)預(yù)估器確定最佳的下降時(shí)間，然后控制無(wú)人直升機(jī)速率使之以最佳狀態(tài)著艦。

4 關(guān)鍵技術(shù)

在無(wú)人直升機(jī)自主著艦3個(gè)階段中，基于差分GPS的引導(dǎo)返航技術(shù)目前已經(jīng)成熟，能夠在開(kāi)闊的環(huán)境下引導(dǎo)無(wú)人直升機(jī)實(shí)現(xiàn)較高精度的導(dǎo)航，后2個(gè)階段中由于著艦環(huán)境時(shí)刻處于運(yùn)動(dòng)之中，且存在較為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)影響因素，因此面臨較大的困難與挑戰(zhàn)，目前還極少有成熟的處理方案，其中涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括多傳感器的數(shù)據(jù)融合技術(shù)、著艦環(huán)境的感知方法、無(wú)人直升機(jī)的相對(duì)位姿估計(jì)方法和著艦控制技術(shù)。

4.1 多傳感器的數(shù)據(jù)融合技術(shù)

IMU、GPS、視覺(jué)和激光雷達(dá)等傳感器，由于在無(wú)人直升機(jī)上的安裝位置不同、探測(cè)原理差異等原因，獲取的原始數(shù)據(jù)處于不同的相對(duì)參考系下，且數(shù)據(jù)的采樣頻率不一，因此需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的時(shí)空對(duì)準(zhǔn)預(yù)處理。在對(duì)環(huán)境進(jìn)行探測(cè)感知的過(guò)程中，核心傳感器是視覺(jué)傳感器，考慮處理器運(yùn)算能力以及通信帶寬，目前圖像傳感器的處理頻率最高約10 Hz，GPS信號(hào)的采樣與處理頻率可以達(dá)到100 Hz，而IMU的采樣處理能夠達(dá)到更高水平。以視覺(jué)傳感器獲取圖像信息的時(shí)間為基準(zhǔn)，對(duì)最鄰近時(shí)刻的GPS信號(hào)和IMU信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)內(nèi)插和外推，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)。同時(shí)，以視覺(jué)傳感器在艦載無(wú)人直升機(jī)平臺(tái)上的安裝位置為機(jī)體坐標(biāo)系原點(diǎn)，將GPS設(shè)備與IMU設(shè)備獲取的信息經(jīng)特定的位移與角度變換，轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的機(jī)體坐標(biāo)系下[8]。

在著艦過(guò)程中要感知艦船環(huán)境，自主避開(kāi)各種障礙物，構(gòu)建聯(lián)通區(qū)域。激光雷達(dá)和視覺(jué)傳感器信息融合在一起，既能夠提供周?chē)h(huán)境的三維幾何信息，又能夠體現(xiàn)環(huán)境的顏色信息，還可以利用視覺(jué)傳感器垂直視野大的優(yōu)點(diǎn)來(lái)彌補(bǔ)激光雷達(dá)掃描線少的缺陷。通過(guò)建立激光雷達(dá)與視覺(jué)傳感器多層融合算法框架，對(duì)激光雷達(dá)與單目視覺(jué)和雙目立體視覺(jué)進(jìn)行多層融合，可以提供周?chē)h(huán)境的更加完善的描述，提高障礙檢測(cè)的能力[9]。另外，自主著艦系統(tǒng)以先驗(yàn)?zāi)Ｐ妥R(shí)別出著艦標(biāo)識(shí)后要對(duì)著艦標(biāo)識(shí)進(jìn)行跟蹤，目前較為先進(jìn)的基于視覺(jué)的目標(biāo)跟蹤算法融合了檢測(cè)模塊和跟蹤模塊，兩者并行進(jìn)行，但此類(lèi)算法得到的目標(biāo)在圖像坐標(biāo)系中存在一定位置偏差，并且逆透視到無(wú)人直升機(jī)坐標(biāo)系時(shí)還存在一定標(biāo)定誤差，所以在視覺(jué)算法基礎(chǔ)上融合激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，可以有效提高定位精度[10]。

4.2 基于深度學(xué)習(xí)的著艦環(huán)境感知方法

在無(wú)人直升機(jī)自主返航后要對(duì)著艦環(huán)境進(jìn)行感知，但由于海上環(huán)境復(fù)雜，直升機(jī)和艦艇的姿態(tài)處于動(dòng)態(tài)變化之中，環(huán)境感知傳感器探測(cè)到的著艦標(biāo)志、護(hù)欄等環(huán)境信息也會(huì)隨之變化，也有可能會(huì)出現(xiàn)環(huán)境特征被部分遮擋的情況，因此著艦環(huán)境感知比較困難。目前已有的目標(biāo)識(shí)別方法，多數(shù)只能根據(jù)邊緣和幾何特征對(duì)著艦標(biāo)志等環(huán)境信息進(jìn)行粗略識(shí)別，一旦出現(xiàn)圖像角度偏差過(guò)大或者部分遮擋的情況，識(shí)別準(zhǔn)確率大大下降。因此，可以采用深度學(xué)習(xí)的方法，利用其特征學(xué)習(xí)能力解決對(duì)著艦環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確感知的問(wèn)題。首先利用大量有標(biāo)簽的訓(xùn)練樣本進(jìn)行目標(biāo)特征的學(xué)習(xí)，然后通過(guò)無(wú)標(biāo)簽樣本做測(cè)試，從而判斷目標(biāo)識(shí)別的效果[11]。該方法的具體流程如圖9所示。

4.3 基于SLAM的相對(duì)位姿估計(jì)方法

SLAM問(wèn)題本質(zhì)上是狀態(tài)估計(jì)問(wèn)題，即通過(guò)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和傳感器信息對(duì)機(jī)器人位姿和地圖特征進(jìn)行估計(jì)。在無(wú)人直升機(jī)自主著艦過(guò)程中，基于GPS信息、慣性測(cè)量單元以及直升機(jī)搭載的視覺(jué)傳感器和激光雷達(dá)，在對(duì)各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空配準(zhǔn)預(yù)處理之后，即可構(gòu)建位姿估計(jì)的狀態(tài)模型與量測(cè)模型，借助非線性濾波方法，實(shí)現(xiàn)無(wú)人直升機(jī)的位姿估計(jì)[12]。融合多傳感器信息的無(wú)人直升機(jī)位姿估計(jì)算法流程如圖10所示。

圖 9 目標(biāo)識(shí)別流程圖Fig. 9 Target recognition flow chart

圖 10 融合多傳感器信息的無(wú)人直升機(jī)位姿估計(jì)算法流程Fig. 10 Estimation algorithm flow of unmanned helicopter with multi-sensor information

基于初始時(shí)刻的無(wú)人直升機(jī)位姿，采用環(huán)境感知傳感器對(duì)環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，根據(jù)環(huán)境感知傳感器的輸出進(jìn)行環(huán)境特征的提取，基于環(huán)境感知傳感器的設(shè)備參數(shù)與探測(cè)特點(diǎn)，將環(huán)境特征描述為相對(duì)于導(dǎo)航坐標(biāo)系的位置信息，然后無(wú)人直升機(jī)移動(dòng)到下一采樣時(shí)刻，根據(jù)慣性傳感器對(duì)無(wú)人直升機(jī)位姿狀態(tài)進(jìn)行時(shí)間更新，再次根據(jù)環(huán)境感知傳感器的輸出提取環(huán)境特征，并與前一時(shí)刻的環(huán)境特征進(jìn)行匹配，根據(jù)匹配信息得到在一個(gè)采樣間隔里無(wú)人直升機(jī)位姿的變化量，以此變化量為觀測(cè)值，對(duì)位姿狀態(tài)進(jìn)行量測(cè)更新，從而得到準(zhǔn)確的位姿狀態(tài)的估計(jì)值，重點(diǎn)解決以下2個(gè)方面問(wèn)題[13]：

1）無(wú)人直升機(jī)搭載的處理器的處理能力通常有限，且平臺(tái)的存儲(chǔ)能力、通信帶寬以及續(xù)航能力同樣有限，綜合考慮無(wú)人平臺(tái)執(zhí)行具體任務(wù)時(shí)的各種要求，需要在保證或者調(diào)高位姿估計(jì)精度的前提下，降低位姿估計(jì)的運(yùn)算量。

2）姿態(tài)估計(jì)問(wèn)題屬于典型的非線性系統(tǒng)估計(jì)問(wèn)題，為達(dá)到更好的估計(jì)效果，往往需要融合多個(gè)傳感器信息，通過(guò)高斯假設(shè)的矩近似濾波算法如擴(kuò)展卡爾曼濾波、無(wú)跡卡爾曼濾波、容積卡爾曼濾波等進(jìn)行處理，這些方法實(shí)質(zhì)上均是基于聯(lián)合高斯分布假設(shè)的線性估計(jì)器。但隨著傳感器精度提高以及實(shí)際中系統(tǒng)狀態(tài)的初始不確定性等因素，由于初始誤差和/或精確測(cè)量條件下聯(lián)合高斯分布假設(shè)的準(zhǔn)確性下降，使得后驗(yàn)誤差矩陣出現(xiàn)過(guò)估計(jì)，即濾波器給出的誤差遠(yuǎn)低于實(shí)際誤差，導(dǎo)致濾波發(fā)散。

4.4 基于甲板運(yùn)動(dòng)預(yù)估的著艦控制方法

由于風(fēng)浪的影響，無(wú)人直升機(jī)著艦時(shí)要考慮艦艇甲板運(yùn)動(dòng)、陣風(fēng)干擾、艦尾氣流和地面效應(yīng)的影響，因此無(wú)人直升機(jī)自主著艦第三階段的控制要比進(jìn)場(chǎng)階段困難的多。要實(shí)現(xiàn)無(wú)人直升機(jī)安全地自主著艦，則要求其在保證環(huán)境信息感知準(zhǔn)確的前提下能夠結(jié)合自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完成對(duì)飛行軌跡的合理控制。首先根據(jù)傳感器的量測(cè)和甲板運(yùn)動(dòng)的主要特性設(shè)計(jì)甲板運(yùn)動(dòng)預(yù)估器，然后通過(guò)預(yù)估器確定最佳的下降時(shí)間，并通過(guò)控制下降速率使無(wú)人直升機(jī)以最佳著艦狀態(tài)著艦，亦即按甲板運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)的最小狀態(tài)著艦。這里要解決的難點(diǎn)問(wèn)題是，普通的甲板運(yùn)動(dòng)預(yù)估器都是短時(shí)間的預(yù)估，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)使預(yù)估器的誤差變大，而無(wú)人直升機(jī)著艦是相對(duì)緩慢的過(guò)程，從開(kāi)始下降到觸艦時(shí)間較長(zhǎng)，因此要改進(jìn)現(xiàn)有甲板預(yù)估器，使之滿(mǎn)足著艦條件[14]。另外，設(shè)計(jì)著艦中止控制系統(tǒng)，當(dāng)著艦危險(xiǎn)因子較高時(shí)無(wú)人直升機(jī)選擇復(fù)飛。

5 結(jié) 語(yǔ)

在無(wú)人直升機(jī)自主著艦迫切的軍事需求背景下，以無(wú)人直升機(jī)自主著艦為研究對(duì)象，針對(duì)國(guó)內(nèi)研究的不足，設(shè)計(jì)一套無(wú)人直升機(jī)自主著艦方案，分析自主著艦流程，闡述系統(tǒng)組成，研究關(guān)鍵技術(shù)。鑒于國(guó)內(nèi)還沒(méi)有成熟的無(wú)人直升機(jī)自主著艦方法，本方案的研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義，為實(shí)現(xiàn)無(wú)人直升機(jī)真正自主著艦提供了方向，為進(jìn)一步工程實(shí)踐提供理論和技術(shù)支撐。