齊俊桐，平 原

（天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，機(jī)器人與自主系統(tǒng)研究所，天津 300072）

1 引言

當(dāng)今，無(wú)人機(jī)以自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)獲得了極大的發(fā)展，在軍用、警用、國(guó)土安全，災(zāi)害預(yù)警，線路巡檢和影視航拍，通訊，農(nóng)業(yè)，環(huán)境保護(hù)等諸多領(lǐng)域有著廣范應(yīng)用。特別是在當(dāng)下人工智能的時(shí)代浪潮中，其研究成果也是日新月異，物流運(yùn)輸已成為無(wú)人機(jī)重要的應(yīng)用方向之一。無(wú)人機(jī)作為一個(gè)理想的作業(yè)平臺(tái)，吊掛飛行是其遂行任務(wù)之一。它具有靈活的機(jī)動(dòng)性，可以在其它運(yùn)輸工具難以到達(dá)的地方，快速、高效地開(kāi)展物資運(yùn)輸投放作業(yè)；而且無(wú)需考慮地理環(huán)境，不受陸地交通運(yùn)輸?shù)墓苤?，操作?jiǎn)單易上手；再者，采用吊掛形式的運(yùn)輸不用擔(dān)心吊掛物外形的影響[1]。因次，吊掛無(wú)人機(jī)在軍事和民用領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[2]。然而無(wú)人機(jī)在吊掛物體飛行時(shí)，其系統(tǒng)穩(wěn)定性會(huì)受到來(lái)自吊掛物體擺動(dòng)的影響，這也是國(guó)內(nèi)外高校和研究團(tuán)隊(duì)關(guān)注和研究的焦點(diǎn)[3-5]。

2 吊掛無(wú)人機(jī)飛行控制特點(diǎn)

吊掛無(wú)人機(jī)是一個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)耦合、時(shí)變、欠驅(qū)動(dòng)的高階耦合系統(tǒng)，是一個(gè)復(fù)雜的被控對(duì)象，其主要特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[6-9]：

（1）建模難度大。對(duì)于無(wú)人平臺(tái)柔性吊掛這樣的多自由度復(fù)合結(jié)構(gòu)的控制有著其自身特殊的技術(shù)難點(diǎn)，并不能通過(guò)無(wú)人機(jī)和垂吊物各自建模、控制與規(guī)劃方法的簡(jiǎn)單組合來(lái)解決，而且很難建立精確的全機(jī)動(dòng)力學(xué)模型，這對(duì)吊掛無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)的魯棒性提出了極大的挑戰(zhàn)。

（2）耦合特性嚴(yán)重。無(wú)人機(jī)本身存在嚴(yán)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(dòng)布局，進(jìn)而加劇了耦合。

（3）全機(jī)動(dòng)力學(xué)特性復(fù)雜。面向任務(wù)作業(yè)過(guò)程中無(wú)人機(jī)、垂吊物、降落目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，加之隨機(jī)的環(huán)境擾動(dòng)，使其產(chǎn)生復(fù)雜的全機(jī)動(dòng)力學(xué)特性。使得垂吊物與降落地面接觸過(guò)程中兩者之間的作用力/力矩及隨機(jī)的外力/力矩?cái)_動(dòng)將使系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型呈獻(xiàn)較多不確定結(jié)構(gòu)和參數(shù)。

3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展及技術(shù)研究現(xiàn)狀

吊掛無(wú)人機(jī)是近年來(lái)出現(xiàn)的一個(gè)新概念，就目前公開(kāi)發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)來(lái)看，其研究成果還比較少。尤其在型號(hào)無(wú)人機(jī)方面，由于一直是世界各國(guó)軍方推崇的裝備，相關(guān)研究屬于機(jī)密，目前一些發(fā)達(dá)國(guó)際的研究成果也未公開(kāi)發(fā)表。

圖1 K- MAX吊掛無(wú)人直升機(jī)

圖2 MQ- 8C吊掛無(wú)人直升機(jī)

在大型吊掛無(wú)人機(jī)研究方面，就目前來(lái)看其技術(shù)相對(duì)成熟的當(dāng)屬美國(guó)和以色列，比如美國(guó)的格魯門(mén)公司，以色列飛機(jī)工業(yè)公司馬拉特分部等，在型號(hào)無(wú)人機(jī)方面都具有相當(dāng)成熟的技術(shù)成果。其次技術(shù)比較成熟的是英國(guó)、德國(guó)、意大利、法國(guó)等歐洲發(fā)達(dá)國(guó)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(duì)于執(zhí)行外吊掛運(yùn)輸任務(wù)的無(wú)人直升機(jī)來(lái)說(shuō)研究成果相對(duì)較少，公開(kāi)發(fā)表的文章也寥寥無(wú)幾。我們可以看到的，如美國(guó)卡曼公司的K-MAX和洛克希德馬丁公司的MQ-8C都是專門(mén)用來(lái)執(zhí)行機(jī)外吊掛運(yùn)輸任務(wù)的無(wú)人直升機(jī)。K-MAX無(wú)人直升機(jī)目前已經(jīng)可以達(dá)到自主飛行的技術(shù)水平，并且在阿富汗戰(zhàn)場(chǎng)上成功執(zhí)行了吊掛運(yùn)輸補(bǔ)給任務(wù)[8]。2015年6月，卡曼公司Aerosystems部門(mén)恢復(fù)K-MAX載重直升機(jī)的生產(chǎn)。K-MAX載重直升機(jī)在世界各地用于消防、日志記錄和其他要求高載重的任務(wù)。2017年5月份，K-MAX進(jìn)行了恢復(fù)生產(chǎn)以來(lái)的首飛測(cè)試[10]。

國(guó)內(nèi)對(duì)無(wú)人直升機(jī)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(dòng)力等關(guān)鍵技術(shù)方面跟國(guó)外相比差距依然很大，多數(shù)的核心元件需要進(jìn)口，并且在研制模式上基本是對(duì)國(guó)外的成熟機(jī)型進(jìn)行仿制或?qū)τ腥藱C(jī)進(jìn)行無(wú)人化改造?！堆b備預(yù)先研究技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》把我國(guó)工業(yè)無(wú)人直升機(jī)的技術(shù)成熟度列為7級(jí)（共9級(jí)）。技術(shù)相對(duì)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(yíng)企業(yè)[11，12]。但是，對(duì)于執(zhí)行吊掛運(yùn)輸任務(wù)無(wú)人機(jī)的研究成果在國(guó)內(nèi)還尚未出現(xiàn)。

20世紀(jì)中期到90年代是利用直升機(jī)開(kāi)展吊掛運(yùn)輸作業(yè)的研發(fā)初創(chuàng)期，但由于關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題不能很好解決，研制進(jìn)程緩慢。隨著飛控技術(shù)的突破以及復(fù)合材料、動(dòng)力、傳感器等核心技術(shù)的快速發(fā)展及廣泛應(yīng)用，加之軍方在高技術(shù)戰(zhàn)場(chǎng)偵察的需要，我國(guó)越來(lái)越重視無(wú)人直升機(jī)的研究，確保逐步實(shí)現(xiàn)智能化、多元化[13]。但是，對(duì)于無(wú)人平臺(tái)柔性吊掛這樣的多自由度復(fù)合結(jié)構(gòu)的控制有著其自身特殊的技術(shù)難點(diǎn)，并不能通過(guò)無(wú)人機(jī)和垂吊物各自建模、控制與規(guī)劃方法的簡(jiǎn)單組合來(lái)解決，這對(duì)吊掛無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)的魯棒性提出了極大的挑戰(zhàn)。因此，現(xiàn)有用于無(wú)人機(jī)控制技術(shù)還不能完全應(yīng)用于吊掛無(wú)人機(jī)上面。

雖然目前對(duì)吊掛無(wú)人機(jī)的研究成果較少，但是針對(duì)非吊掛無(wú)人機(jī)的飛行控制，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了廣泛的研究，對(duì)此還是有一定借鑒意義的。從經(jīng)典PID 控制到現(xiàn)代控制理論再到人工智能控制，在理論上和實(shí)際型號(hào)應(yīng)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(jié)構(gòu)配置[24，25]、變結(jié)構(gòu)控制[26-28]、MPC控制[29-32]、動(dòng)態(tài)逆控制[33-36]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[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(wú)人機(jī)對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的吊取

圖5 旋翼無(wú)人機(jī)吊掛負(fù)載飛行演示實(shí)驗(yàn)

在小型吊掛無(wú)人機(jī)方面，其概念已經(jīng)得到初步驗(yàn)證。德雷克賽爾大學(xué)自主系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室[45]研究并完成了旋翼機(jī)自主跟蹤、負(fù)載吊取、車輛部署的作業(yè)。通過(guò)懸吊在機(jī)架下的吊取裝置對(duì)整個(gè)系統(tǒng)展開(kāi)了驗(yàn)證。德國(guó)的蒂賓根生物控制研究所采用仿真旋翼無(wú)人機(jī)重點(diǎn)研究了無(wú)人機(jī)與負(fù)載之間的相對(duì)軌跡跟蹤，并且在仿真環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)目標(biāo)的抓取。上述驗(yàn)證案例均未進(jìn)行樣機(jī)的實(shí)際試飛試驗(yàn)。

新墨西哥大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系[45]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于干擾觀測(cè)器的旋翼無(wú)人機(jī)分層控制的自主飛行，提出了一種運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，用于生成懸掛載荷的旋翼飛行無(wú)人機(jī)具有最小剩余擺動(dòng)（無(wú)擺動(dòng)）的軌跡，并通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬和室內(nèi)演示實(shí)驗(yàn)初步驗(yàn)證了結(jié)果。

不難發(fā)現(xiàn)，目前這些系統(tǒng)只是在旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)上增加簡(jiǎn)單吊取裝置來(lái)驗(yàn)證整個(gè)概念的基本可行性，而無(wú)人機(jī)吊掛系統(tǒng)是一個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)耦合、欠驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜被控對(duì)象。無(wú)人機(jī)吊掛飛行時(shí)，吊掛負(fù)載的擺動(dòng)會(huì)直接影響到無(wú)人機(jī)的飛行穩(wěn)定性。柔性吊掛自身的復(fù)合自由度以及其所處的復(fù)雜擾動(dòng)環(huán)境使其同現(xiàn)有的具有作業(yè)能力的其他無(wú)人平臺(tái)系統(tǒng)相比，具有特殊的控制難點(diǎn)，而且這些難點(diǎn)并不能通過(guò)旋翼無(wú)人機(jī)和吊掛系統(tǒng)各自建模、規(guī)劃與控制方法的簡(jiǎn)單組合來(lái)解決。這些問(wèn)題正是相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的研究重點(diǎn)，且已經(jīng)逐漸成為了無(wú)人機(jī)研究領(lǐng)域的一個(gè)新熱點(diǎn)。但到目前為止，系統(tǒng)性、理論性的研究成果尚未出現(xiàn)。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研究院[48]在動(dòng)力學(xué)模型建立方面考慮吊掛纜繩的彈性和阻尼特性，推導(dǎo)出一個(gè)無(wú)坐標(biāo)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。經(jīng)過(guò)數(shù)值仿真表明，針對(duì)非彈性纜繩的情況開(kāi)發(fā)的幾何控制器仍然適用于彈性纜繩的情況。文獻(xiàn)[49]將吊掛纜繩簡(jiǎn)化成剛性連接桿，文獻(xiàn)[50]研究了吊掛負(fù)載對(duì)旋翼無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)特性的影響，并討論了在吊掛負(fù)載的影響下旋翼無(wú)人機(jī)的飛行穩(wěn)定性及其相應(yīng)的控制方案。文獻(xiàn)[51]研究了因吊掛負(fù)載的擺動(dòng)而引起旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題，并重點(diǎn)分析了擺動(dòng)產(chǎn)生的基本條件及原因，以及懸掛點(diǎn)位置、不確定載荷質(zhì)量等對(duì)無(wú)人機(jī)和吊掛負(fù)載耦合運(yùn)動(dòng)的影響。文獻(xiàn)[52，53]搭建了四旋翼吊掛負(fù)載時(shí)的三維動(dòng)力學(xué)模型，并研究了吊掛負(fù)載的干擾對(duì)四旋翼的飛行穩(wěn)定性的影響。綜合上述分析，吊掛點(diǎn)、載荷質(zhì)量和動(dòng)力學(xué)模型等與吊掛無(wú)人機(jī)飛行特性密切相聯(lián)，在加裝吊掛裝置時(shí)要充分考慮其構(gòu)型及結(jié)構(gòu)參數(shù)等引起的整體耦合系統(tǒng)的變化，降低上述因素對(duì)飛行穩(wěn)定性和可控性的影響。

為了保證無(wú)人機(jī)系統(tǒng)能夠在吊掛物擺動(dòng)時(shí)保持穩(wěn)定的飛行狀態(tài)，需要對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)規(guī)劃和控制問(wèn)題進(jìn)行研究。在這方面研究做的比較好的是特拉華大學(xué)（University of Delaware）的Agrawal等人。相關(guān)研究人員對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)裝載一個(gè)纜繩掛載機(jī)器人在搬運(yùn)貨物時(shí)二者的協(xié)調(diào)問(wèn)題開(kāi)展了深入研究[54]。挪威科技大學(xué)研究人員[55]開(kāi)發(fā)了基于反推技術(shù)的非線性跟蹤控制器，除了抑制擺動(dòng)負(fù)載的影響之外，控制器還可以補(bǔ)償未知的恒定風(fēng)力擾動(dòng)，通過(guò)開(kāi)環(huán)整形濾波器規(guī)劃無(wú)路徑來(lái)減小懸掛載荷的擺動(dòng)。瑞士蘇黎世大學(xué)、美國(guó)麻省理工學(xué)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?qū)④壽E優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為帶有互補(bǔ)約束的數(shù)學(xué)程序（MPCC）。美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)的研究人員基于微分平滑（Differential Flatness）方法設(shè)計(jì)了針對(duì)平面四旋翼無(wú)人機(jī)吊掛系統(tǒng)的控制器，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)平面四旋翼無(wú)人機(jī)吊掛系統(tǒng)的軌跡生成和跟蹤，并將這種控制放大擴(kuò)展到三維環(huán)境[57]。利用幾何控制（Geometric Control）和微分平滑方法，達(dá)到了四旋翼無(wú)人機(jī)吊掛系統(tǒng)幾乎全局指數(shù)穩(wěn)定的控制效果[58]。

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

在國(guó)外研究取得初步進(jìn)展的同時(shí)，我國(guó)也開(kāi)始意識(shí)到無(wú)人機(jī)面向自主任務(wù)作業(yè)的重要性和迫切需求。中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)在2013年成功舉辦了國(guó)際無(wú)人飛行器大獎(jiǎng)賽，在旋翼組的競(jìng)技類比賽中設(shè)置的比賽任務(wù)中，以運(yùn)動(dòng)中艦船間的空中補(bǔ)給為背景，要求無(wú)人機(jī)在兩個(gè)移動(dòng)平臺(tái)之間實(shí)現(xiàn)自主定位抓取，運(yùn)送和碼放物資的作業(yè)。以任務(wù)完成精準(zhǔn)度和完成時(shí)間作為考核指標(biāo)。該比賽吸引了來(lái)自新加坡國(guó)立大學(xué)、清華大學(xué)、北航和南航等國(guó)內(nèi)外眾多高校研究團(tuán)隊(duì)參加。最終，只有中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所成功抓取全部物資并完成碼放作業(yè)，同時(shí)以總分第一名獲得冠軍。

此外，近年來(lái)國(guó)內(nèi)高校也相繼開(kāi)展了對(duì)吊掛無(wú)人機(jī)的控制研究，取得了一定的成果。中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所韓建達(dá)等人[59]設(shè)計(jì)了四旋翼懸掛負(fù)載系統(tǒng)的滑?？刂疲?yàn)證了對(duì)負(fù)載擺動(dòng)和系統(tǒng)不確定性的強(qiáng)魯棒性以及良好的跟蹤控制性能。天津大學(xué)鮮斌教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)吊掛飛行系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種新型控制策略，建立四旋翼無(wú)人機(jī)吊掛系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，將吊掛負(fù)載看作由剛性繩懸掛在四旋翼無(wú)人機(jī)重心位置的質(zhì)點(diǎn)，通過(guò)能量分析的方法設(shè)計(jì)了針對(duì)此系統(tǒng)的非線性控制器。經(jīng)仿真驗(yàn)證，可以在抑制吊掛負(fù)載擺動(dòng)的同時(shí)將四旋翼無(wú)人機(jī)移動(dòng)到目標(biāo)位置[60]。華中科技大學(xué)杜沛力等人，針對(duì)無(wú)人機(jī)攜帶吊掛負(fù)載物的系統(tǒng)通過(guò)結(jié)構(gòu)分析進(jìn)行數(shù)學(xué)建模得到三維空間中四旋翼無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)特性與負(fù)載物擺動(dòng)之間關(guān)系，提出以二型模糊集合描述該不確定性較多的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了二型模糊控制器對(duì)無(wú)人機(jī)空間位置及負(fù)載物擺動(dòng)進(jìn)行控制，通過(guò)仿真結(jié)果證明了二型模糊控制能達(dá)到控制無(wú)人機(jī)位移及抑制負(fù)載物擺動(dòng)的效果，驗(yàn)證了無(wú)人機(jī)攜帶吊掛負(fù)載應(yīng)用的可行性以及面對(duì)外界干擾的魯棒性[61]。

圖6 國(guó)際無(wú)人飛行器大獎(jiǎng)賽任務(wù)示意圖

4 結(jié)論

無(wú)人機(jī)因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外高度重視。通過(guò)上述對(duì)吊掛無(wú)人機(jī)的飛行控制技術(shù)的綜述不難發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)真正應(yīng)用在可執(zhí)行遂行任務(wù)上的無(wú)人機(jī)面臨的技術(shù)問(wèn)題依然艱巨。尤其對(duì)于吊掛無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，其自身復(fù)雜特殊的運(yùn)動(dòng)機(jī)理將是我們面臨的重大難題。就目前發(fā)展來(lái)看，對(duì)于吊掛無(wú)人機(jī)的研究仍然存在著諸多挑戰(zhàn)。但是隨著相關(guān)技術(shù)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(shù)的突破性進(jìn)展和廣泛應(yīng)用，無(wú)人機(jī)必將得到更進(jìn)一步的發(fā)展，并將深刻改變?nèi)藗兊纳罘绞健⒏淖冃袠I(yè)應(yīng)用模式，也將改變未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的形式[62-63]。而對(duì)于面向自主任務(wù)作業(yè)的吊掛無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)也必然會(huì)有美好的發(fā)展前景。

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