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无人机技术目前研究现状及未来发展趋势分析

归档日期:06-21       文本归类:地面站      文章编辑:爱尚语录

  在国内无人机大放异彩的同时,较国内无人机起步更早的国外无人机企业,更加值得我们关注和研究。

  法国:比大疆成立早12年的Parrot公司是一家总部位于法国巴黎的无人机及无线产品制造商。派诺特设计、研发和销售与智能手机和平板电脑相关的高科技应用产品,并提供汽车制造和城市无人机领域的高科技解决方案。所以我们也就不难理解,为何我们可以在苹果在线商城里看到Parrot无人机的身影。

  美国:作为北美最大的消费级无人机厂商,3D Robotics公司主要致力于制造开源无人驾驶飞行器(UAV),目前其全球客户数量超过3万。3D Robotics早期主要销售组装无人机的成套组件。现在,该公司有从入门级到商用级的多种型号无人机产品,搭载了航拍、视频拍摄、测绘、3D建模等多种功能,有些无人机还支持预先规划航线或针对特定人物的追踪跟拍。

  近年来,以深圳大疆创新科技有限公司为首的无人机企业在世界范围内的行业地位越来越高,从而也带动了一批杰出的科技创新型企业也跻身于无人机的研发当中。

  大疆是一家总部位于中国深圳的无人机制造厂商,成立于2006年。该公司生产的DJI无人机被广泛运用于航拍,并且很受专业及业余级摄影师们的青睐。其产品线涵盖中端价位的Phantom以及高端市场绝对王者的Inspire系列。endprint

  一架无人机系统由地面站、飞机、链路三个核心部分组成。无人机地面站是整个无人机系统的指挥控制中心,专门用于对无人机的地面控制和管理。飞机是无人机系统的主体,而它的核心组件是其飞行控制系统(简称飞控),它是飞行器稳定飞行的保证。链路主要负责飞机与地面站之间的通讯,通过多种通信方式将飞机上的飞行数据实时传输到地面站,并可以将地面站发出的控制信号传给飞机,从而使得无人机按照既定的指令飞行。

  2)发动机瓶颈问题。发动机的问题很大程度上制约着我国无人机的发展,一方面是对发动机也提出了特殊的要求的无人机特定的高空低雷诺、大过载等飞行条件;另一方面研制基础本身较为薄弱。涡扇发动机是未来应用的主要走向与国外的差距较为明显,达不到无人机对飞行速度、航时等指标的要求。

  3)无人机行业人才紧缺。据初步判断,我国在2018年需要无人机从业人员达40万人次,截至2016年10月,国内持证从业的飞手、维修、研发等人员却不到10 000人。

  我国无人机发展存在的技术弱点是借鉴外国现有的技术并自主研发,其技术层次达不到强国水准,不管军用或民用的在精准度、控制力、信息传输、机动性等许多能力上都较为薄弱。

  相关仿真研究和实践表明,反馈线)在整个周期内,其设计具有很大的灵活性,能够适应飞机模型的变化;(2)能够满足大迎角、超机动等非常规控制要求;(3)增益预置不要求在飞机的飞行包线内确保飞控系统的稳定性。

  反馈线性化方法的主要限制是:反馈线性化要求高度精确的建立飞机非线性力和力矩模型,对建模误差敏感,且不能处理动态系统的未知变化及扰动。因此需要配合其他控制方法,提升控制系统的鲁棒性。

  反步控制(Backstepping)是在20世纪80年代末期,由前南斯拉夫科学家Kokotovic发展起来的一种非线性控制方法。该方法对级联线性/非线性系统,通过一步步选取适当的控制Lyapunov函数,逐步构造辅助控制输入的同时补偿不确定性的影响,最终得到稳定的控制律。

  反步控制有两个显著的优点:一是在控制器设计过程中可以处理一大类非线性、不确定性的影响,而且稳定性及误差的收敛性已经得到证明;二是采用该方法设计的控制器收敛速度很快,在损伤或者故障状态下这种方法非常有效。

  这种方法的主要不足之处在于控制系统的鲁棒性以及动作器的速率和位置饱和问题。可以利用增加自适应控制等方法加以补偿解决。

  滑模变结构控制方法是前苏联学者Emelyanov提出的,滑模变结构控制的基本思想是:首先将从任一点出发的状态轨线通过控制作用拉到某一指定的直线,然后沿着直线滑动到原点。滑模变结构控制在无人机控制系统设计中有两种设计方案:一种是直接方式,即直接应用非线性系统的滑模变结构控制。另一种是间接方式,首先将无人机非线性模型反馈线性化,然后再利用线性系统的滑模变结构控制进行控制系统综合。

  滑模变结构具有快速响应,对系统模型的不确定性和外部扰动是鲁棒的和不敏感的、物理实现简单等诸多优点。缺点在于当状态轨迹到达滑模面后,难以严格的沿着滑模面向着平衡点滑动,而是在滑模面两侧来回穿越,从而导致抖振现象。

  (1)基于专家系统的PID控制器。专家控制的实质是基于受控对象和控制规律的各种知识,并以智能的方式利用这些知识来设计控制器,使得受控系统尽可能的优化和实用化。专家知识的获取和经验的总结在专家PID控制中占重要的地位,它的知识全面性和推理智能度对系统的控制效果有很大影响,也成为控制器设计的一个难点。

  (2)基于模糊控制的PID控制器。模糊控制不需要获知系统的精确数学模型,是以操作人员的经验为基础,根据操作者经验的语言表达来确定各个参数和控制规律,然后在实际系统中进行调整和整定。模糊控制具有调节速度快,鲁棒性好等优点,但稳态精度差。将模糊控制和PID控制两者加以结合,扬长避短,既具有模糊控制灵活、适应性强的特点,又具有PID控制精度高的优点。

  (3)基于神经网络的PIC控制器。神经网络作为当今新兴的控制技术,可以充分逼近任意复杂的非线性系统,可以自学习和自适应复杂的不确定系统,有很强的鲁棒性和容错性。但神经网络也有自身的弱点,响应速度慢、训练和学习时间很长、动态性能指标差以及需要大量训练数据等。因此将神经网络和传统PID控制相结合,神经网络控制器实际上是一个前馈控制器,它建立的是被控对象的逆向模型。神经网络控制器通过想传统控制器的输出进行学习,在线调整自己,目标是使反馈的误差趋近于零,从而使自己逐渐在控制作用中占据主导地位,以便最终取消反馈控制器的作用。一旦系统出现干扰,PID控制器会马上重新介入。不但保证了系统的稳定性和鲁棒性,而且可以有效的提高系统的精度和自适应能力。

  (1)机身表面材料的改进。通常,无人机机体表面可以采用降低反射雷达信号波能量的复合材料构造,并覆盖雷达波吸收材料;

  (2)机体外形设计。尽量采用减小电磁波反射的机身构造,即在机身的连接处进行光滑处理,避免形成角度增强反射,并在凹口出采用相应的隐身措施;

  宽带、大数据流量的数据链技术可以使无人机远距、快速地传输信息,实施超视距控制,是发展无人战斗机的关键技术。如果在远距或敌人干扰的情况下不能实施通信或不能可靠工作,信息无法发给指挥控制中心,指令也无法发给正在作战的无人战斗机,人就无法在其中发挥作用,无人战斗机将失去其优势。目前,无人机主要采用Ku/Ka波段、C/X波段和L波段进行通信。

  无人机一般要求长航程,因此,必须采用高效率的动力技术。此外还可以开发新的轻型高效燃料,如高效的航空煤油和使用太阳能做动力等。采用新的能够与机体气动布局相配合的推力矢量和分裂式副翼进行飞行控制;还有一种使用射流多轴推力矢量技术,即通过控制发动机喷口处的喷气方向进行飞行姿态和方向的控制,这种技术免去了以往机械式推力矢量装置的传动部件,不仅可以使固定喷嘴更轻,在外形上还能降低雷达截面,并能快速降低喷口温度以减弱红外信号

  无人机的发射系统按其发射点位置来区分,主要包括陆上发射、水上发射和空中发射。陆上发射又可分为发射架发射、起落架起飞、滑跑车起飞和垂直起飞等;空中发射主要是指母机投放,以提高无人机的使用寿命,增大航程,降低损失率,但对母机设计要求较高,同时应用的环境比较受限制。回收系统按回收点可分为陆上回收、水上回收和空中回收;按回收方式可以分为自主降落回收和遥控降落回收;按回收系统可分为伞降回收、拉网回收、跑到着陆回收等多种。其中,自主降落方式要求在飞控系统中加入返航、降落、定位等程序,设计复杂但操作运用简单,应用较广泛。

  综观世界各国无人机发展现状及无人机技术发展趋势,其发展方向可概括为如下几点。

  高技术的迅速发展使模块化、通用化、系列化成为可能,今后的无人机平台和地面站很可能是通用的,将朝着一机多能的方向发展。进行系统设计时,优化内部结构,采用模块化技术,根据具体任务及时更换不同功能的机载设备,执行不同的任务,实现一机多用。美国通用原子能公司研制的AMBER多用途无人机,可用于战场机动通讯中继平台或电子战。该机装有前视红外仪、红外行扫仪或高分辨率照相机,通讯/视频中继雷达,信号情报侦察综合/电子支援设备等。英制小妖精无人机可根据担负的战场监视、目标指示、电子战等不同任务,分别搭载传感器、激光目标指示器和电子干扰机等各种不同设备。在靶机上装上侦察、电子设备或各种战斗部,即可将其改装成侦察、电子战无人机或巡航导弹。

  从无人机的发展趋势来看,长航时高空无人机已成为世界各国无人侦察机的发展重点之一。其典型机种如美国的全球鹰无人机,该机相对低级别的已经投入到实战中,而更高级别的试验机也处于最后测试阶段,它装有喷气式发动机,长13m,翼展35m,飞行高度达19.5km,大大超过喷气式歼击机和陆基防空导弹的高度,不间断飞行达40h。长航时高空无人机可在空中停留几天甚至几个,获取目标区完整的信息,为己方决策提供准确、及时的依据。长航时高空无人机较军用侦察卫星应用灵活,价格便宜,可随时按指挥员意图选定作战区域,并尽可能接近战区,获取更精确情报;它可不受目标上空云雾的影响,获取高分辨率的图像;它还可机动跟踪目标,提供实时信息。所以,长航时高空无人机已成为军用侦察卫星的重要补充手段。

  随着微电子技术和纳米技术的飞速发展,21世纪的无人机将变得“微乎其微”如美军正在研制一种微型无人机,能够在城市的建筑物之间飞行;还有一种微型无人机可从人员的手掌上起飞。美陆军认为,无人战斗机近期只是有人驾驶系统的辅助,在中长期,应能按预先设定的程序半自主地完成任务,而在远期(2020―2025年以后),则应该能从头至尾完全自主地完成任务,当然仍需要人员的监控。各种型号无人机的监控将实现通用化,不同型号无人机获取的信息可以实现资源共享。大量采用人工智能和群体智能理论技术,无人机可自动寻找、识别目标,确定攻击目标的优先顺序,选择恰当的武器,做出战术决策,执行必要的攻击机动动作。

  新型军用无人机将采用最先进的隐身技术。一是采用复合材料、雷达吸波材料和低噪声发动机;二是采用限制红外反射技术,在无人机表面涂上能吸收红外光的特制漆和在发动机燃料中注入防红外辐射的化学制剂,雷达和目视侦察均难以发现采用这种技术的无人机;三是减少表面缝隙,采用新工艺将无人机的副翼、襟翼等各传动面都制成综合面,进一步减少缝隙,缩小雷达反射面;四是采用充电表面涂层;五是采用最新的等离子隐形技术。采用隐身技术后,可迅速隐蔽接敌,长时间与敌接触。

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