趙悅岑，婁文忠，汪金奎，劉偉桐，蘇子龍

（北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京100081）

1 引 言

隨著無人系統(tǒng)智能化水平的提高，無人機(jī)在多領(lǐng)域扮演著越來越重要的角色。無人機(jī)回收是無人機(jī)領(lǐng)域的重要研究方向之一，當(dāng)前常用的無人機(jī)回收方式有傘降回收、撞網(wǎng)回收、著陸滑跑回收、垂直降落、氣囊回收以及繩鉤回收。傘降回收配有回收傘、開傘裝置和控制機(jī)構(gòu)，在指定空域上空打開降落傘，使無人機(jī)減速回收［1］；撞網(wǎng)回收通過在回收平臺上設(shè)置攔阻網(wǎng)將其捕獲，同時需要阻尼器對無人機(jī)進(jìn)行能量吸收［2］；著陸滑跑回收以輪式起落架在跑道上降落，但與傳統(tǒng)有人機(jī)降落不同的是配有自動導(dǎo)航著陸系統(tǒng)對無人機(jī)進(jìn)行引導(dǎo)以及控制［3］；垂直降落回收是通過配置著陸反推火箭的推力抵消重力，實(shí)現(xiàn)速度緩沖至著陸的回收方式［4］；氣囊回收在無人機(jī)落地前打開氣囊后直接觸地，氣囊起到緩沖吸能的作用［5］；繩鉤回收系統(tǒng)由捕獲裝置、阻尼器和導(dǎo)引裝置組成，通過機(jī)翼鉤住并鎖住繩索對無人機(jī)進(jìn)行回收［6］。當(dāng)前已有的文獻(xiàn)對于無人機(jī)回收系統(tǒng)的個性問題研究和綜述性探討較多［7-8］，近年對計(jì)算機(jī)視覺的研究［9-10］以及無人機(jī)路徑規(guī)劃方面的研究［11-13］也使得無人機(jī)回收效率大幅度提升，但缺少對于無人機(jī)回收系統(tǒng)的整體評估方法。針對不同回收方式在不同應(yīng)用環(huán)境中的利弊，通過選取不同的指標(biāo)對其進(jìn)行評價，可以對不同情況下選擇回收系統(tǒng)提出指導(dǎo)性建議，因此無人機(jī)回收系統(tǒng)進(jìn)行有效評估變得十分必要。本文使用層次分析法與灰色綜合評價法相結(jié)合的方法對六種當(dāng)前主流的無人機(jī)回收方案進(jìn)行評估，借助專家經(jīng)驗(yàn)，確定各層次指標(biāo)的權(quán)重，在定性分析的基礎(chǔ)上通過灰數(shù)量化處理，將人的主觀判斷用數(shù)量形式表達(dá)和處理，減少個人主觀臆斷所帶來的弊端，使評估結(jié)果能反應(yīng)實(shí)際應(yīng)用需求。

2 無人機(jī)回收系統(tǒng)評估指標(biāo)體系構(gòu)建

2.1 無人機(jī)回收系統(tǒng)評估指標(biāo)體系

安全性是無人機(jī)回收過程中考慮的重要指標(biāo)之一，目前非戰(zhàn)斗損傷的事故中，80%以上無人機(jī)的損毀發(fā)生于完成飛行任務(wù)返航回收階段［14］，回收過程是一個非常重要且容易出現(xiàn)故障的階段［2］，無人機(jī)回收故障不僅造成無人機(jī)自身損毀，還將對地面人員和財(cái)產(chǎn)帶來威脅。同時，無人機(jī)回收系統(tǒng)能否應(yīng)用取決于系統(tǒng)對于回收時周圍環(huán)境因素的需求，如艦上無人機(jī)回收受回收跑道［8］和艦船上空擾流限制。無人機(jī)還會受到返航時的自身?xiàng)l件限制，若無人機(jī)尺度太大將可能無法得到有效減速，從而損壞無人機(jī)本身以及回收系統(tǒng)。此外，回收所需的時間以及需要操作人員數(shù)量也是考察的一個重要標(biāo)準(zhǔn)，回收過程中無人機(jī)回收系統(tǒng)及地面人員極易受到攻擊，因此無人機(jī)回收系統(tǒng)需要保證快速安全，具備高效回收能力并且對操作人員的要求不應(yīng)過高，保證靈活便捷的回收無人機(jī)。無人機(jī)回收系統(tǒng)成本是考慮的影響因素之一，商業(yè)應(yīng)用中對無人機(jī)回收系統(tǒng)成本極為敏感［15］。通過以上六個指標(biāo)構(gòu)建了無人機(jī)回收系統(tǒng)評估指標(biāo)體系，如圖1所示，基本覆蓋了無人機(jī)回收系統(tǒng)的評價指標(biāo)。

2.2 評估指標(biāo)量化分析

在評估計(jì)算中需要確定無人機(jī)回收系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)值，采用定性分析與定量計(jì)算相結(jié)合的方法，某些指標(biāo)可采用最關(guān)鍵影響因素來衡量，某些指標(biāo)則采用多種性能的組合進(jìn)行評定。對第一層級指標(biāo)主要采用專家調(diào)查法、德爾菲法進(jìn)行確定，不同的評價指標(biāo)進(jìn)行兩兩相互比較，盡可能減少性質(zhì)不同的因素相互比較困難，以提高準(zhǔn)確度，同時采用層次分析法常用的1-9 標(biāo)度，形成比較矩陣。對第二層級的指標(biāo)則采取灰色關(guān)聯(lián)度方法，就影響因素之間發(fā)展趨勢的相似或者相異程度進(jìn)行定量，若不能定量則根據(jù)定性在1～10間進(jìn)行標(biāo)度。

圖1 無人機(jī)回收方式評估指標(biāo)體系Fig.1 UAV recovery method evaluation index system

安全性主要通過回收過程中對無人機(jī)可能造成的傷害以及回收過程中的失效性進(jìn)行判斷。傘降回收雖然失效性較小，但著陸時飛機(jī)下降速度較快，著陸瞬間機(jī)體會受到較強(qiáng)烈的沖擊，容易造成不同程度的損傷，如果降落到水中，機(jī)載設(shè)備、發(fā)動機(jī)等會被水浸泡甚至損壞［16］。撞網(wǎng)回收和繩鉤回收的失效性均較高，且阻攔網(wǎng)和阻攔繩會對無人機(jī)造成損傷，并且繩鉤回收對無人機(jī)機(jī)翼強(qiáng)度要求更高［17-18］。

成本包括回收系統(tǒng)本身成本以及對于系統(tǒng)后期維護(hù)費(fèi)用兩方面。著陸滑跑回收需要精準(zhǔn)的自動導(dǎo)航著陸系統(tǒng)，完善的降落跑道，回收系統(tǒng)成本相對較高，但維護(hù)成本較低。氣囊回收的成本僅為氣囊本身，但由于氣囊多為一次性使用，因此成本較高。垂直回收的成本主要為著陸前進(jìn)行減速的反推火箭成本，部分回收系統(tǒng)也可用無人機(jī)自身的發(fā)動機(jī)替代，且無其他維護(hù)成本，但會加大油耗［3］。

人員需求可分為定量確定回收過程需要多少操作人員，定性分析操作人員在回收時的操作難度。撞網(wǎng)回收需要有操作人員時刻關(guān)注監(jiān)視器的狀況，根據(jù)無人機(jī)的實(shí)時位置，來半自動地修正無人機(jī)飛行路線，對準(zhǔn)飛向攔截網(wǎng)，同時落入網(wǎng)中的無人機(jī)需要操作人員將其取出，所需操作人員多且難度大。降落傘回收需要大量人員搜索無人機(jī)甚至對其進(jìn)行打撈，但操作難度最小。

降落環(huán)境一部分為回收系統(tǒng)能夠適用的場地類型，另一部分則為天氣對回收系統(tǒng)的影響。傘降回收適用于機(jī)場、湖泊、海面、艦艇、礁島、山區(qū)六種場地，但受風(fēng)向風(fēng)速影響較大，回收方向要為順風(fēng)側(cè)。氣囊回收以及垂直降落可適用于除艦艇外的其他五種環(huán)境，且均受風(fēng)速風(fēng)向影響較大，容易失控。撞網(wǎng)回收對飛行航向有要求，繩鉤回收在航向方面相對較為自由。

由于材料、阻尼等性質(zhì)的限制，使得能夠回收的無人機(jī)類型以及對于無人機(jī)進(jìn)場速度，導(dǎo)航精度的要求也有所不同。若進(jìn)場速度過大，無人機(jī)規(guī)模較大，可能無法進(jìn)行有效減速，損壞回收系統(tǒng)；若無人機(jī)導(dǎo)航精度不夠，會導(dǎo)致無法準(zhǔn)確回收。

表1 無人機(jī)回收方式與無人機(jī)自身因素Table1 UAV recycling method and drone factors

3 層次分析法及灰色關(guān)聯(lián)分析法原理與步驟

3.1 層析分析法確定權(quán)重系數(shù)

對于第一層次的六個影響指標(biāo)，擬采用層次分析法來確定所對應(yīng)的權(quán)重。層次分析法的主要思想是將兩兩因素之間的重要程度作出比較而建立判斷矩陣，以判斷矩陣的最大特征值所對應(yīng)特征向量作為不同因素的重要性程度的權(quán)重。

各層級的權(quán)重系數(shù)代表各指標(biāo)的重要程度，計(jì)算每一個判斷矩陣中各指標(biāo)的相對權(quán)重。

其中，ω為判斷矩陣的特征向量，代表一級指標(biāo)相對于目標(biāo)層的權(quán)重。

另外，所給的判斷矩陣是否存在不一致性還需要檢驗(yàn)，檢驗(yàn)的指標(biāo)為一致性比例，其計(jì)算公式為：

其中CI為一致性指標(biāo)，公式如下：

λmax為評價矩陣的最大特征值，n為影響指標(biāo)的個數(shù)。另RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，其對應(yīng)的值可參見表2。

表2 RI的值Table2 RI values

當(dāng)CR＜0.1 時，認(rèn)為判斷矩陣一致性通過檢驗(yàn)，否則做適當(dāng)修正［19］。

3.2 灰色關(guān)聯(lián)分析法

灰色關(guān)聯(lián)度，就是影響因素之間發(fā)展趨勢的相似或者相異程度。首先需要建立灰色綜合評估模型，然后根據(jù)各種評價指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行綜合評估。

若無人機(jī)回收系統(tǒng)有m個，影響權(quán)重有n個，則參考的數(shù)列和待比較數(shù)列分別可設(shè)為

由于不同的指標(biāo)可分為效益型和成本型，成本型指標(biāo)起負(fù)作用，而效益型指標(biāo)起正作用。因此，要先對指標(biāo)屬性值進(jìn)行0-1規(guī)范化后再進(jìn)行評估。

對效益型和成本型數(shù)據(jù)，其變換公式分別如下：

計(jì)算比較數(shù)列（待選單位）zi對參考數(shù)列（理想單位）z0在第k個指標(biāo)上的關(guān)聯(lián)系數(shù)公式為：

其中ρ∈[0，1]為分辨系數(shù)，一般選取ρ=0.5。

圖2 評估過程流程圖Fig.2 Evaluation process flow chart

第i個待選單位的灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)度的計(jì)算公式為：

其中ω為n個影響因素所對應(yīng)的權(quán)重，ηi(k)為公式（9）所計(jì)算的關(guān)聯(lián)系數(shù)。如果待選單位的關(guān)聯(lián)度越大，則其評價結(jié)果就越好。

4 無人機(jī)回收系統(tǒng)計(jì)算

4.1 建立判斷矩陣確定各指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)大量文獻(xiàn)調(diào)研及專家打分，通過對各層次中指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行兩兩比較，創(chuàng)建無人機(jī)回收系統(tǒng)評價矩陣如表3所示。根據(jù)公式（3）進(jìn)行一致性檢驗(yàn)并根據(jù)公式（4）計(jì)算得到各指標(biāo)權(quán)重ω，見表3。

4.2 計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)及關(guān)聯(lián)度

通過灰色關(guān)聯(lián)對指標(biāo)分別進(jìn)行定性和定量分析，無人機(jī)回收系統(tǒng)評價指標(biāo)數(shù)據(jù)如表4所示。

先將矩陣數(shù)據(jù)判斷為效益型或成本型，根據(jù)公式（7）（8）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)0-1變換后再通過公式（9）計(jì)算可得灰色關(guān)聯(lián)度η，見表4。

表3 無人機(jī)回收系統(tǒng)評價矩陣Table3 Evaluation matrix of each evaluation index of the drone recovery system

由計(jì)算可知，傘降回收的灰色關(guān)聯(lián)度最高，故傘降回收為綜合評估最優(yōu)的回收方式。目前大多數(shù)無人機(jī)仍采用傘降回收，在發(fā)生意外時防止無人機(jī)墜毀減少損失，這與本文的評估一致。這主要是由于傘降回收的安全性高，很少會發(fā)生失效，并且性價比遠(yuǎn)高于其他回收方式。同時傘降回收對于回收場地幾乎沒有限制，在任何情況下都是十分有效的。但傘降回收精度達(dá)不到預(yù)定的要求，無人機(jī)著陸點(diǎn)偏離指定區(qū)域范圍的誤差過大，需要對傘降回收技術(shù)進(jìn)行提高改進(jìn)。

表4 無人機(jī)回收系統(tǒng)評價指標(biāo)數(shù)據(jù)Table4 UAV recovery system evaluation index data

通過公式（9）對各指標(biāo)中，每種回收的灰色關(guān)聯(lián)度進(jìn)行計(jì)算可得圖3。

計(jì)算所得關(guān)聯(lián)度越高，代表該回收系統(tǒng)在此評價指標(biāo)下的綜合評估結(jié)果越優(yōu)。由圖2可知，氣囊回收的安全性是最高的，傘降回收和著陸滑跑回收安全性雖略低于氣囊回收，但性價比均高于氣囊回收，同時所需人員也少于氣囊回收。此外，撞網(wǎng)回收，垂直降落以及繩鉤回收對于降落環(huán)境的要求均不高，可適用于各種復(fù)雜地形和惡劣天氣的無人機(jī)回收。需要進(jìn)行高效無人機(jī)回收時，垂直降落的回收時間是最短的。著陸滑跑回收對無人機(jī)自身要求較低，適用于多種類型的無人機(jī)，在大中型無人機(jī)回收中使用最為廣泛。

圖3 不同指標(biāo)下無人機(jī)回收系統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)度Fig.3 Grey correlation degree of UAV recycling system under different indicators

由專家打分結(jié)果計(jì)算可知，降落環(huán)境是評估系統(tǒng)中所占比重非常大的指標(biāo)，為進(jìn)一步判斷安全性權(quán)重對于評估結(jié)果的影響，在前文專家打分的基礎(chǔ)上，保證其他權(quán)重不改變，將降落環(huán)境從小到大變換，計(jì)算各回收方式的灰色關(guān)聯(lián)度，為方便比較將數(shù)據(jù)表示為折線圖，如圖4所示。由圖可知，傘降回收和著陸滑跑回收方式的灰色關(guān)聯(lián)度交替處于最高值，證明這兩種回收方式的綜合評價結(jié)果很好；其中，著陸滑跑回收曲線變化幅度最大，其受降落環(huán)境影響是最大的，主要由于著陸滑跑回收需要回收跑道，而一般叢林環(huán)境、山地環(huán)境、艦艇等環(huán)境下都不能修建跑道。撞網(wǎng)回收在降落環(huán)境權(quán)重提高的情況下緩慢提升，因其對于環(huán)境的因素相對寬松，在艦艇等環(huán)境下均可使用；而氣囊回收灰色關(guān)聯(lián)度則呈現(xiàn)下降趨勢，主要由于氣囊回收對降落時天氣要求較高，如大風(fēng)條件下不便于使用氣囊回收；另外，繩鉤回收以及垂直回收的灰色關(guān)聯(lián)度受安全性影響均不大，與圖3計(jì)算結(jié)果一致。

圖4 降落環(huán)境對評估結(jié)果的影響Fig.4 Impact of environment on grey correlation

降落時間也是在無人機(jī)回收系統(tǒng)選擇的一項(xiàng)重要評估指標(biāo)，參考降落環(huán)境的處理方式，改變無人機(jī)降落時間權(quán)重得出圖5。由該圖可知，傘降回收以及垂直回收的灰色關(guān)聯(lián)度均受該指標(biāo)影響較大。其中，撞網(wǎng)回收、繩鉤回收、著陸滑跑回收以及氣囊回收受降落時間的影響并不大，所以在該指標(biāo)權(quán)重增加時，整體評估未發(fā)生太大變化；而傘降回收的降落時間較長，如傘降到海面上需要人員搜尋打撈，難以實(shí)現(xiàn)快速回收，故隨該指標(biāo)權(quán)重增加，整體評估情況變差，該指標(biāo)成為傘降回收總體評估的短板；此外，垂直回收的回收時間是最短的，可以實(shí)現(xiàn)快速回收。

5 結(jié)束語

圖5 降落時間對評估結(jié)果的影響Fig.5 Impact of time on grey correlation

本文建立了無人機(jī)回收系統(tǒng)評估指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)，并將層次分析法與灰色綜合評價法相結(jié)合，構(gòu)建了數(shù)學(xué)評估模型，對不同需求指標(biāo)下的適用性進(jìn)行了綜合評估。盡管層次分析法以專家打分為基礎(chǔ)，但卻能客觀、有效地反映不同回收系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，與灰色綜合評價法的定性及定量分析相結(jié)合，可針對不同回收體系的改進(jìn)提供參考和依據(jù)?；厥障到y(tǒng)計(jì)算驗(yàn)證結(jié)果顯示，該數(shù)學(xué)模型合理有效，對無人機(jī)回收系統(tǒng)評估研究提供了一定的參考價值。