北京航空航天大學(xué) 張霄，王悅，郭雷

強(qiáng)干擾環(huán)境下的自主導(dǎo)航與控制新技術(shù)

北京航空航天大學(xué) 張霄，王悅，郭雷

中小型無人機(jī)應(yīng)用廣泛，但飛行過程中易受高壓線電磁泄漏、廣播電臺(tái)、雷達(dá)站甚至人為無線電波干擾的影響，傳統(tǒng)的導(dǎo)航與控制系統(tǒng)存在極大的安全隱患。本文闡述了強(qiáng)干擾環(huán)境下不依賴衛(wèi)星的仿生自主導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和最新進(jìn)展；針對(duì)無人機(jī)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)存在的多源干擾影響，論述了多傳感器系統(tǒng)抗干擾濾波的必要性及應(yīng)用條件；從內(nèi)部組成、功能參數(shù)與應(yīng)用等方面論述了國(guó)內(nèi)外具有代表性的中小型無人機(jī)用抗干擾自動(dòng)駕駛儀。指出仿生導(dǎo)航技術(shù)與抗干擾濾波技術(shù)是實(shí)現(xiàn)強(qiáng)干擾環(huán)境下的中小型無人機(jī)安全、可靠飛行的重要保障。

導(dǎo)航制導(dǎo)與控制；仿生導(dǎo)航；抗干擾濾波；自動(dòng)駕駛儀；中小型無人機(jī)

1 引言

中小型無人機(jī)具有成本低、飛行距離遠(yuǎn)（可達(dá)20~300km）、留空時(shí)間長(zhǎng)、便于集群協(xié)同等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離偵察、對(duì)特定目標(biāo)反復(fù)探測(cè)、長(zhǎng)時(shí)間通信中繼等功能，是未來無人機(jī)的重要發(fā)展方向[1]。中小型無人機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)基本可滿足常規(guī)應(yīng)用需求，然而強(qiáng)干擾環(huán)境下的高精度、高可靠、高自主的導(dǎo)航制導(dǎo)與控制技術(shù)卻一直是制約中小型無人機(jī)快速發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。本文主要從導(dǎo)航技術(shù)、抗干擾濾波技術(shù)與系統(tǒng)集成三個(gè)方面論述強(qiáng)干擾環(huán)境下的中小型無人機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。

慣性/GNSS組合導(dǎo)航技術(shù)成為目前中小型無人機(jī)應(yīng)用最為廣泛的組合導(dǎo)航方式。MIMU（MEMS Inertial Measurement Unit，微慣性測(cè)量單元）可連續(xù)提供全部運(yùn)動(dòng)參數(shù)，但誤差隨時(shí)間很快積累；GNSS（Global Navigation Satellite System，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）具有長(zhǎng)期高精度的優(yōu)點(diǎn)，但GNSS難以連續(xù)提供全部運(yùn)動(dòng)參數(shù)。二者結(jié)合可取長(zhǎng)補(bǔ)短。然而中小型無人機(jī)飛行距離遠(yuǎn)[2]，將飛越未知環(huán)境或特殊環(huán)境區(qū)域，可能受到高壓線電磁泄漏、廣播電臺(tái)、中繼電臺(tái)、雷達(dá)站甚至人為無線電波干擾的影響，干擾GNSS正常工作[3]，造成無人機(jī)失控。例如2011年12月，伊朗曾利用GPS干擾技術(shù)捕獲了一架美軍RQ-170“哨兵無人機(jī)”[4]。

中小型無人機(jī)遠(yuǎn)距離飛行中，存在著對(duì)于同時(shí)來源于外部環(huán)境、傳感器噪聲和模型誤差的多源干擾，嚴(yán)重影響無人機(jī)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)精度。Kalman濾波只是針對(duì)統(tǒng)計(jì)特性為高斯白噪聲的單一干擾，魯棒濾波理論也僅僅適用于范數(shù)有界干擾，在無人機(jī)領(lǐng)域正在開展應(yīng)用研究。對(duì)于多源干擾系統(tǒng)的抗干擾濾波問題，尚處于起步研究階段。參考文獻(xiàn)[37]作為該領(lǐng)域的第一部專著，闡述了多源干擾系統(tǒng)建模、分析和控制理論。

中小型無人機(jī)導(dǎo)航制導(dǎo)與控制系統(tǒng)（俗稱：自動(dòng)駕駛儀）是無人機(jī)實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航與自動(dòng)飛行的核心部件。近年來，世界各國(guó)投入了大量的精力來研究小型自動(dòng)駕駛儀及其關(guān)鍵器部件，使其精度有了大幅度的提高。然而，如何提高強(qiáng)干擾環(huán)境下的自動(dòng)駕駛儀的可靠性和環(huán)境適用性，是一項(xiàng)需要長(zhǎng)期深入研究的課題。

2 仿生導(dǎo)航技術(shù)

仿生導(dǎo)航技術(shù)是通過模仿自然界生物體某些感知能力，并將感知的信息轉(zhuǎn)化與處理得到導(dǎo)航參數(shù)的一種技術(shù)。仿生導(dǎo)航具備不依賴GNSS、高性能、高自主、抗干擾等優(yōu)勢(shì)，能夠解決中小型無人機(jī)受到未知環(huán)境電波干擾的難題，受到國(guó)內(nèi)外各大研究機(jī)構(gòu)的重視，成為當(dāng)前國(guó)際導(dǎo)航領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[5～7]。

仿生導(dǎo)航技術(shù)起源于對(duì)生物體結(jié)構(gòu)和感知能力的學(xué)習(xí)，生物體可以利用多種多樣的外界信息來進(jìn)行導(dǎo)航定位，從19世紀(jì)達(dá)爾文提出生物體可以利用航跡推算的方法進(jìn)行定位[8]，到1973年諾貝爾生理學(xué)獎(jiǎng)獲得者卡爾·馮·費(fèi)利對(duì)蜜蜂導(dǎo)航機(jī)理的研究[9～10]，再到2014年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者O’Keefe發(fā)現(xiàn)的“位置細(xì)胞”[11],[12]，人類在仿生導(dǎo)航（仿生陀螺、仿生視覺）領(lǐng)域已經(jīng)取得了較大進(jìn)展。

近年來，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)自然界中的一些昆蟲和脊椎動(dòng)物，如某些鳥類、蜜蜂、蜘蛛、螞蟻、龍蝦等，依靠天空偏振光作為其主要或輔助導(dǎo)航方式。1990年，美國(guó)紐約州立大學(xué)教授Kenneth P.提出候鳥同時(shí)利用地磁、太陽、星光和天空偏振光來進(jìn)行導(dǎo)航，在其隨后的研究中發(fā)現(xiàn)，候鳥利用天空偏振光在白天對(duì)自身的地磁羅盤進(jìn)行校正[13]，其研究結(jié)果相繼發(fā)表于《NATURE》雜志。2006年，Rachel M.在對(duì)薩凡納麻雀的定位實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，這類候鳥利用天空偏振光對(duì)其地磁羅盤進(jìn)行校正[14]，并將其研究結(jié)果發(fā)表于《SCIENCE》雜志。2009年，Christine M.發(fā)現(xiàn)Monarch蝴蝶也利用天空偏振光導(dǎo)航[15]。上述研究成果表明天空偏振光蘊(yùn)含豐富的導(dǎo)航信息，且導(dǎo)航精度高于地磁導(dǎo)航。

仿生偏振光傳感器集成方面，2000年前后，Dimitrios L.利用沙蟻的偏振光導(dǎo)航策略成功開發(fā)出仿生偏振傳感器并應(yīng)用到移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行自主導(dǎo)航[16]； Amelie S.搭建了偏振光探測(cè)裝置，利用室內(nèi)人工偏振光源，進(jìn)行了機(jī)器人路徑跟蹤實(shí)驗(yàn)[17]。2001年瑞士科學(xué)家Rüdiger W.綜述了水下、水面、陸地上利用仿生偏振光導(dǎo)航的各類生物及其導(dǎo)航原理，提出不同種類的昆蟲、脊椎動(dòng)物等利用仿生偏振光導(dǎo)航的方式各不相同，并認(rèn)為當(dāng)時(shí)沒有一種偏振光傳感器能像生物體那樣精確的導(dǎo)航，深入研究的空間和潛力很大[18]。2008年前后中國(guó)合肥工業(yè)大學(xué)[19]和大連理工大學(xué)[20]分別根據(jù)沙蟻的導(dǎo)航定位機(jī)理研制了偏振光導(dǎo)航傳感器。2009年北京大學(xué)開展了天空偏振模式圖動(dòng)態(tài)特性分析[21]。2010年Andrew R.采用面陣列CMOS傳感器，獲取了可見光波段的全天空偏振光圖像[22]。2011年德國(guó)科學(xué)家Nicole C.設(shè)計(jì)了一種仿昆蟲的機(jī)器視覺系統(tǒng)，利用近紫外光學(xué)相機(jī)實(shí)現(xiàn)了一種天空偏振光傳感器，并開展了地面機(jī)器人的導(dǎo)航研究[23]。2013年清華大學(xué)實(shí)現(xiàn)了天空偏振光模式自動(dòng)探測(cè)裝置，自動(dòng)獲取天空偏振圖像[24]。仿生偏振光傳感器的研究目前已取得了較大的進(jìn)展，為與其他傳感器的組合導(dǎo)航奠定了基礎(chǔ)。但針對(duì)天空云層、大氣渾濁干擾情況下的研究仍不夠深入，仿生偏振傳感器精度仍有較大的提升空間。

仿生偏振組合導(dǎo)航研究方面，除美國(guó)航空航天局BEES計(jì)劃外，國(guó)外研究報(bào)道較少。國(guó)內(nèi)，2007年哈爾濱工業(yè)大學(xué)開展了基于偏振光/地磁/GPS/慣導(dǎo)組合導(dǎo)航方法研究[25]。2009年合肥工業(yè)大學(xué)開展了針對(duì)仿生偏振光的機(jī)理、仿生應(yīng)用及與慣導(dǎo)/GPS/地磁組合導(dǎo)航研究[26]。2010年北京航空航天大學(xué)開展了仿生偏振組合導(dǎo)航方法及系統(tǒng)研究，設(shè)計(jì)了一種慣導(dǎo)/GPS/偏振光組合導(dǎo)航系統(tǒng)建模方法[27]，并應(yīng)用于動(dòng)基座導(dǎo)航初始對(duì)準(zhǔn)，但自主性、抗干擾性尚待進(jìn)一步提高。

總之，仿生導(dǎo)航技術(shù)已成為目前國(guó)內(nèi)外導(dǎo)航領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，是導(dǎo)航領(lǐng)域未來發(fā)展的重要方向。

3 抗干擾濾波技術(shù)

中小型無人機(jī)長(zhǎng)途跋涉中，發(fā)動(dòng)機(jī)的不對(duì)稱高頻振動(dòng)、穿越冷/暖氣團(tuán)、陣風(fēng)、小尺度湍流等多類干擾源同時(shí)作用，將嚴(yán)重影響無人機(jī)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)的精度。多源干擾條件下，提高導(dǎo)航與控制系統(tǒng)精度的核心技術(shù)之一是針對(duì)多源干擾的濾波方法。

目前，在組合導(dǎo)航系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的濾波方法主要是Kalman（卡爾曼）型濾波方法，作為一種最優(yōu)的狀態(tài)估計(jì)方法，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、計(jì)算方便等優(yōu)點(diǎn)在工程中受到廣泛重視[28]。針對(duì)GPS/ INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，Qi提出了一種直接Kalman濾波方法，將非線性組合系統(tǒng)離散化，使用擴(kuò)展Kalman濾波方法取得了一定效果[29]。2004年，R. Merwe將擴(kuò)展Kalman濾波推廣到無跡Kalman濾波(SPKF)，并在GPS/IMU/氣壓計(jì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)中應(yīng)用，補(bǔ)償了GPS測(cè)量延遲，提高了組合導(dǎo)航系統(tǒng)姿態(tài)和位置精度[30]。Kalman濾波方法已在GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，但只能針對(duì)單一干擾且統(tǒng)計(jì)特性假設(shè)為高斯白噪聲，難以滿足中小型無人機(jī)多源干擾使用環(huán)境要求。

魯棒濾波理論作為一種容許模型不確定性、建模誤差等條件的濾波方法，近年來取得了豐碩的研究成果，參考文獻(xiàn)[31]解決了系統(tǒng)中帶有參數(shù)不確定性和非線性不確定條件下的H∞濾波器設(shè)計(jì)問題，針對(duì)同時(shí)含有白噪聲和能量有限干擾的多項(xiàng)式離散系統(tǒng)，參考文獻(xiàn)[32]設(shè)計(jì)了H2/H∞濾波器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)白噪聲和能量有限干擾的同時(shí)抑制。魯棒濾波理論在組合導(dǎo)航系統(tǒng)方面已開展了應(yīng)用研究，針對(duì)GPS/SINS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，西北工業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)2001年分別設(shè)計(jì)了H∞濾波和Kalman濾波，并進(jìn)行了對(duì)比分析，表明了H∞濾波的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)[33]，2002年南京航空航天大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)，則從降低導(dǎo)航系統(tǒng)階次，提高濾波速度的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了H∞濾波器[34]。2002年，袁建平教授將H∞濾波技術(shù)應(yīng)用到低成本組合導(dǎo)航系統(tǒng)[35]。H∞濾波設(shè)計(jì)過程中，通常將干擾假定為單一類型的能量有界型，針對(duì)實(shí)際的組合導(dǎo)航系統(tǒng)具有一定的局限性。針對(duì)同時(shí)含有模型不確定性和高斯白噪聲的非線性系統(tǒng)，H2/ H∞濾波器可以很好地將干擾分別抑制[36]。針對(duì)同時(shí)含有高斯白噪聲和能量有界干擾的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，參考文獻(xiàn)[37]將組合導(dǎo)航系統(tǒng)的模型轉(zhuǎn)化為不確定系統(tǒng)多胞型描述，分別應(yīng)用H2和H∞優(yōu)化技術(shù)加以抑制，降低了計(jì)算量的同時(shí)，提高了導(dǎo)航精度，實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)條件下的干擾抑制。針對(duì)特定的仿生導(dǎo)航系統(tǒng)，其特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)，復(fù)雜多變的工作環(huán)境，僅僅針對(duì)假定系統(tǒng)含有一種或兩種干擾設(shè)計(jì)濾波器，很難滿足高精度、抗干擾的導(dǎo)航需求[38]。組合導(dǎo)航系統(tǒng)外部工作環(huán)境面臨的載體振動(dòng)、晃動(dòng)、陣風(fēng)等外部干擾無法避免[39]，參考文獻(xiàn)[40]首次研究含多源干擾特性的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，針對(duì)靜基座初始對(duì)準(zhǔn)問題，設(shè)計(jì)具有抗干擾能力的濾波器，提高了初始對(duì)準(zhǔn)的精度。參考文獻(xiàn)[41]將其推廣到大失準(zhǔn)角情形下非線性系統(tǒng)模型問題，針對(duì)存在的多源干擾取得了良好的抑制和抵消效果。針對(duì)含有多源干擾的SINS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，參考文獻(xiàn)[42]設(shè)計(jì)了全階多目標(biāo)抗干擾濾波器。

綜上，對(duì)于多源干擾系統(tǒng)的抗干擾濾波問題，尚處于起步研究階段，如何更好地在仿生組合導(dǎo)航系統(tǒng)中加以應(yīng)用，將是一個(gè)極具生命力的研究方向。

4 中小型無人機(jī)自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)

中小型無人機(jī)導(dǎo)航制導(dǎo)與控制系統(tǒng)（自動(dòng)駕駛儀）是無人機(jī)實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航與自動(dòng)飛行的核心部件。中小型無人機(jī)自動(dòng)駕駛儀一般由低成本的傳感器以及低功耗的嵌入式處理器組成，傳感器一般包括MEMS慣性器件、微型氣壓傳感器、微型GPS接收機(jī)等[42]。這些傳感器體積小，但精度較低。如何利用這些低精度傳感器實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)駕駛是無人機(jī)導(dǎo)航與控制的難題。近年來，世界各國(guó)投入了大量的精力來研究小型自動(dòng)駕駛儀及其關(guān)鍵器部件，使其精度有了大幅度的提高。很多研究成果已轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品，并投入市場(chǎng)。

4.1 Piccolo II

圖1 Piccolo II 自動(dòng)駕駛儀

Piccolo II是由美國(guó)Cloud Cap公司研制的一款小型無人機(jī)自動(dòng)駕駛儀[43～44]，如圖1所示。Piccolo II的核心自駕儀部分由一片MPC555處理器（40 MHz，內(nèi)置448K Flash，26K SRAM）作為其中央處理器，系統(tǒng)集成了高速GPS、三軸陀螺儀和加速度計(jì)、氣壓傳感器、溫度傳感器等。Piccolo II不同于一般的自駕儀，它是一臺(tái)完整的航空電子系統(tǒng)。它不但包括核心自駕儀部分，還集成了氣壓傳感器、導(dǎo)航、無線鏈路、載荷接口、硬件仿真支持和操作軟件工具等，而且其功耗小于4W（包括電臺(tái)），質(zhì)量為220g，尺寸為142mm×46 mm×62.6 mm。

Cloud Cap經(jīng)過超過10年的研究，Piccolo II已成為符合無人機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的飛行管理系統(tǒng)?？蓪?shí)現(xiàn)小型無人機(jī)全程自主駕駛（從彈射起飛到自動(dòng)著陸），還具備軟著陸、自主著陸、重構(gòu)移動(dòng)網(wǎng)格等多種功能。其強(qiáng)大的功能使其能夠靈活地應(yīng)用于固定翼、垂直起降飛機(jī)等先進(jìn)無人機(jī)系統(tǒng)[44]。

4.2 MP2128LRC2

圖2 MP2128LRC2自駕儀

MP2128LRC2是MicroPilot公司開發(fā)并生產(chǎn)的一款遠(yuǎn)距離傳輸、高穩(wěn)定性、集成化小型無人機(jī)自動(dòng)駕駛儀[45]，如圖2所示。其內(nèi)部配置了遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸單元LRC，雙重?cái)?shù)據(jù)鏈路、雙頻工作方式保證數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性，其飛行距離長(zhǎng)達(dá)20～50km。由于其遠(yuǎn)距離傳輸與高穩(wěn)定性，MP2128LRC2非常適合應(yīng)用于小型無人機(jī)。目前，已成功使用在多旋翼、固定翼飛機(jī)和直升機(jī)等飛行平臺(tái)。

MP2128LRC2內(nèi)部集成三軸陀螺、加速度計(jì)與GPS接收器，陀螺最大動(dòng)態(tài)范圍300/s，加計(jì)最大量程2g，GPS更新頻率1Hz。MP2128LRC2共有12通道舵機(jī)輸出，30Hz的PID更新頻率，支持自主起飛與著陸。MP2128LRC2在質(zhì)量與體積上具有一定的優(yōu)勢(shì)（尺寸175×75×48mm，重量330g），系統(tǒng)配備了HORIZON mp地面軟件完成任務(wù)規(guī)劃和遠(yuǎn)程控制[46]。

4.3 APM

圖 3 APM飛控

APM飛控是一款開源自動(dòng)駕駛儀，源于PX4軟、硬件開源項(xiàng)目，如圖3所示。Pixhawk是APM飛控硬件部分，其使用了Cortex M4內(nèi)核處理器STM32F427作為主控制器（另備協(xié)處理器）。Pixhawk內(nèi)部集成三軸陀螺加計(jì)、三軸磁力計(jì)、氣壓高度計(jì)，而且配備GPS接口與外部磁強(qiáng)計(jì)接口，并預(yù)留了UART、CAN等信號(hào)輸入口，支持Futaba SBUS總線舵機(jī)信號(hào)，可擴(kuò)展性強(qiáng)。

APM飛控開發(fā)團(tuán)隊(duì)提供對(duì)應(yīng)于固定翼飛機(jī)、多旋翼飛機(jī)、直升機(jī)、車、船與其他移動(dòng)機(jī)器人的定位與控制代碼，呈現(xiàn)出靈活、可靠的自動(dòng)飛行控制。 Mission Planner地面控制軟件嵌入了谷歌地圖，有設(shè)置機(jī)體及控制對(duì)象類型的功能，并有記錄并分析飛行路徑、調(diào)節(jié)PID參數(shù)、無人機(jī)模擬飛行等功能。

APM飛控是完全開源的一款項(xiàng)目，引起許多學(xué)術(shù)愛好者的研發(fā)興趣。其目的也在于為學(xué)術(shù)愛好者和工業(yè)團(tuán)體提供一款低成本的小型無人機(jī)及其他運(yùn)輸設(shè)備的自動(dòng)駕駛儀。

4.4 Athena 611

圖4 Athena 611自動(dòng)駕駛儀

Athena 611是美國(guó)Rockwell Collins公司旗下的一款高端自動(dòng)駕駛儀，如圖4所示。其內(nèi)部包含了戰(zhàn)術(shù)級(jí)慣性傳感與INS/GPS卡爾曼濾波器，Athena 611配備Rockwell Collins全套可選的地面站軟件模塊達(dá)到導(dǎo)航、飛行管理的目的[47]。

Athena 611配備了戰(zhàn)術(shù)級(jí)的IMU，其姿態(tài)、航向通道的漂移精度<0.003/h。通過與GPS組合濾波，系統(tǒng)橫滾、俯仰精度可達(dá)0.02，航向精度達(dá)到了0.1。系統(tǒng)平均故障間隔時(shí)間大于20000h。

4.5 GA-11

圖5 GA-11自動(dòng)駕駛儀

GA-11是北京航空航天大學(xué)研制的一款高精度、強(qiáng)自主性的中小型無人機(jī)自動(dòng)駕駛儀，如圖5所示。其內(nèi)部集成了三軸MEMS陀螺儀、三軸MEMS加速度計(jì)、溫度傳感器、氣壓計(jì)、GPS等傳感器，外部擴(kuò)展仿生導(dǎo)航傳感器、地磁傳感器等。陀螺儀最大動(dòng)態(tài)范圍為250/s，加速度計(jì)最大量程為±5g。其軟件算法采用INS/ GPS/地磁/仿生偏振抗干擾濾波器，系統(tǒng)橫滾、俯仰、航向精度可達(dá)0.2。

GPS信號(hào)丟失情況下，橫滾、俯仰精度優(yōu)于1.5，航向精度優(yōu)于0.2。GA-11按照軍用的電氣與物理標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，考慮溫度、濕度、振動(dòng)、電磁干擾等環(huán)境因素，并通過了嚴(yán)酷飛行環(huán)境的性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。GA-11配備全套地面站軟件實(shí)現(xiàn)飛行管理。

5 結(jié)語

仿生導(dǎo)航技術(shù)作為近年來新興的一種導(dǎo)航技術(shù)，受到了國(guó)內(nèi)外導(dǎo)航領(lǐng)域的廣泛重視。與抗干擾濾波技術(shù)相結(jié)合，將是強(qiáng)干擾環(huán)境下的實(shí)現(xiàn)中小型無人機(jī)高可靠、高自主自動(dòng)駕駛的核心關(guān)鍵技術(shù)。然而仿生導(dǎo)航與抗干擾濾波技術(shù)的研究目前仍不夠深入，需要與生物、醫(yī)學(xué)、光學(xué)、電子等多學(xué)科技術(shù)相結(jié)合才能快速發(fā)展。我國(guó)無人機(jī)的應(yīng)用已走在世界前列，迫切希望我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、適應(yīng)強(qiáng)干擾環(huán)境的自動(dòng)駕駛儀能夠盡快達(dá)到世界領(lǐng)先水平！

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Novel Technology of Autonomous Navigation and Control in Strong Disturbance Environments

Small UAV is widely used in many fields. But it is susceptible to be disturbedby high-voltage electromagnetic leakage, radio stations, radar stations, and even effects of man-made radio interference during the flight. There is great danger in traditional navigation and control system. This paper describes the current status and the latest progress of bionic autonomous navigation technology which does not rely on satellite under strong interference environment. On account of multi-source interference in UAV navigation and control system, this paper also discusses the necessity and its application conditions of anti-disturbance fltering for multi-sensor system. Meanwhile, this paper introduces the most representative autopilots around the world which is used for small UAV, and discusses their composition, function and application. Finally，this paper states that bionic navigation and anti-disturbance fltering techniques are of importance for flight safety and reliability flight in strong disturbance environment of small UAV.

Guidance navigation and control; Bionic navigation; Antidisturbance flter; Autopilot; Small UAV

張霄（1981-），男，山東聊城人，講師，碩士生導(dǎo)師，博士，現(xiàn)任教于北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，主要研究方向?yàn)轱w行器導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制?，F(xiàn)主持國(guó)家軍口863課題2項(xiàng)、國(guó)家自然基金課題1項(xiàng)，參與國(guó)家“863”、國(guó)防基礎(chǔ)科研重大項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等國(guó)家級(jí)課題10余項(xiàng)，目前已出版專著1部，發(fā)表學(xué)術(shù)論文10余篇，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利17項(xiàng)。

王悅（1992-），女，江西上饒人，現(xiàn)就讀北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人導(dǎo)航制導(dǎo)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

郭雷（1966-），男，教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任教于北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，主要研究方向?yàn)榭刂评碚撆c控制工程。教育部長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授，國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者、北京市科技領(lǐng)軍人才?！爸悄芨兄c控制一體化技術(shù)”北京市國(guó)際科技合作基地負(fù)責(zé)人，“飛行器抗干擾控制”教育部長(zhǎng)江學(xué)者創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人。近五年承擔(dān)國(guó)家863計(jì)劃重大項(xiàng)目課題、973計(jì)劃課題、國(guó)家自然科學(xué)基金等國(guó)家級(jí)項(xiàng)目20余項(xiàng)。在SCI期刊發(fā)表論文80余篇，2007年獲教育部自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)（排名第1）、國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)（排名第7），2013年獲國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)（排名第1）。