鐘映春，張文祥*，王 波，黃鶴兒，何惠清

（1.廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.廣東省機(jī)械技師學(xué)院 機(jī)電工程系，廣東 廣州 510450；3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642；4.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司 上饒供電分公司，江西 上饒 334000）

1 引 言

電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，我國(guó)正不斷地加大智能電網(wǎng)的投入［1］。多旋翼無(wú)人機(jī)在電力輸電線路巡檢和偵察測(cè)量［2］等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。國(guó)家電網(wǎng)正在構(gòu)建局部區(qū)域內(nèi)電網(wǎng)巡檢的全自主無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，其中實(shí)現(xiàn)巡檢無(wú)人機(jī)自主、準(zhǔn)確、可靠地降落到布置在野外或變電站的分布式機(jī)場(chǎng)上是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵和難點(diǎn)之一。在整個(gè)任務(wù)作業(yè)過(guò)程中，降落階段的安全風(fēng)險(xiǎn)最大［3］。

目前，引導(dǎo)無(wú)人機(jī)自主降落的方式主要有：基于全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，Real-Time Kinematic，GPS-RTK）的降落引導(dǎo)方式、基于圖像識(shí)別技術(shù)的降落引導(dǎo)方式，及基于超帶寬（Ultra Wide Band，UWB）定位技術(shù)的降落引導(dǎo)方式等。王大帥等采用基于RTK-GPS的絕對(duì)位置測(cè)量和基于激光雷達(dá)的相對(duì)距離探測(cè)方法，在實(shí)物飛行過(guò)程中平面定位的平均誤差為0.145 m［4］。黃晗豐基于RTK技術(shù)，采用PX4飛控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了嵌入式RTK定位系統(tǒng)［5］。大疆創(chuàng)新科技有限公司發(fā)布的精靈Phantom4 RTK系統(tǒng)在RTK正常工作時(shí)，降落誤差可以達(dá)到0.1 m［6］。然而，GPS-RTK在信號(hào)強(qiáng)度弱甚至無(wú)信號(hào)等情況下難以保證降落精度。Raja利用圖像方式設(shè)計(jì)了一個(gè)無(wú)人機(jī)自動(dòng)著陸系統(tǒng)，利用捕捉幀并與參考幀進(jìn)行比較，產(chǎn)生相應(yīng)的反饋輸出，應(yīng)用到無(wú)人機(jī)控制上［7］。Jung等提出了一種基于視覺(jué)的運(yùn)動(dòng)地面目標(biāo)自主著陸的目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)方法，利用懸架攝像機(jī)的視覺(jué)信息估計(jì)地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的狀態(tài)［8］。Wang等利用基于深度卷積網(wǎng)絡(luò)的視覺(jué)管道實(shí)時(shí)檢測(cè)著陸標(biāo)志并估計(jì)系統(tǒng)狀態(tài)，誤差小于0.3 m［9］。高翔設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種無(wú)人機(jī)視覺(jué)導(dǎo)航硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)的高精度自主降落［10］。侯文平在視覺(jué)導(dǎo)航的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套無(wú)人機(jī)自主降落系統(tǒng)，在8 m內(nèi)大標(biāo)記的定位精度為25 cm，在3 m內(nèi)小標(biāo)記的定位精度為5 cm［11］。然而，在光線較弱或異物遮擋靶標(biāo)等情況下，基于圖像識(shí)別技術(shù)的降落引導(dǎo)方式難以保證降落精度。張楨浩等提出了一種多傳感器融合的無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)著陸系統(tǒng)，先使用UWB定位技術(shù)將無(wú)人機(jī)引導(dǎo)至著陸標(biāo)簽附近，再使用視覺(jué)處理算法，實(shí)驗(yàn)著陸精度在5 cm以內(nèi)［12］。Lee等使用了一種基于超寬帶UWB模塊的無(wú)人機(jī)定位方法，并基于超寬帶雷達(dá)的實(shí)際誤差模型和三維城市地圖對(duì)其性能進(jìn)行了仿真。仿真條件下，在二維時(shí)無(wú)人機(jī)的定位精度約為0.29 m，可靠度為95%［13］。張晨曦進(jìn)行了超寬帶UWB定位系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了定位系統(tǒng)的可行性［14］。這些研究?jī)H驗(yàn)證了基于UWB技術(shù)引導(dǎo)降落的可行性，沒(méi)有多角度考慮降落周邊的復(fù)雜環(huán)境，降落可靠度難以達(dá)到實(shí)際應(yīng)用要求。

巡檢無(wú)人機(jī)在野外降落時(shí)，多面臨光線暗、異物遮擋靶標(biāo)等復(fù)雜環(huán)境，本文提出了一種融合UWB定位技術(shù)的降落引導(dǎo)系統(tǒng)與降落策略，成功引導(dǎo)巡檢無(wú)人機(jī)自主、準(zhǔn)確、可靠地降落至直徑約為60 cm的分布式機(jī)場(chǎng)的圓形停機(jī)坪。

2 降落引導(dǎo)系統(tǒng)的總體框架

本文設(shè)計(jì)的降落引導(dǎo)系統(tǒng)如圖1所示。在硬件方面，引導(dǎo)系統(tǒng)組成如下：（1）無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，包括巡檢無(wú)人機(jī)和機(jī)載UWB定位標(biāo)簽；（2）超寬帶定位地面基站群，由6～8個(gè)UWB定位基站組成；（3）分布式機(jī)場(chǎng)。在軟件方面，引導(dǎo)系統(tǒng)由3個(gè)部分構(gòu)成：（1）降落飛行控制系統(tǒng)，該部分在開(kāi)源的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)增加了降落專用控制算法；（2）無(wú)人機(jī)位置坐標(biāo)的解算部分，基于UWB定位算法標(biāo)簽獲得無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)的位置數(shù)據(jù)；（3）降落策略部分，該部分由無(wú)人機(jī)飛行管理系統(tǒng)根據(jù)電池電量、降落精度要求等因素自主選擇降落引導(dǎo)策略。

圖1 降落引導(dǎo)系統(tǒng)框架Fig.1 Structure of touch-down navigation system

3 降落引導(dǎo)系統(tǒng)

3.1 改進(jìn)的無(wú)人機(jī)飛行系統(tǒng)

3.1.1 飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

本文在某公司開(kāi)源飛行控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)增加了一個(gè)降落專用控制器，如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后的無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of improved UAV flight control system

改進(jìn)后的系統(tǒng)具有常規(guī)飛行控制模式和降落飛行控制兩種模式。兩種飛行模式以是否有準(zhǔn)確且穩(wěn)定的UWB定位信號(hào)作為軟切換開(kāi)關(guān)K1的判斷信號(hào)，當(dāng)具有準(zhǔn)確且穩(wěn)定的UWB定位信號(hào)時(shí)，K1接通B端，切換為降落飛行控制模式。

常規(guī)飛行控制模式為三閉環(huán)串級(jí)控制系統(tǒng)，由位置控制閉環(huán)#1、速度控制閉環(huán)#1和姿態(tài)控制閉環(huán)構(gòu)成。降落飛行控制模式也為三閉環(huán)的串級(jí)控制系統(tǒng)，由位置控制閉環(huán)#2、速度控制閉環(huán)#2和姿態(tài)控制閉環(huán)構(gòu)成。改進(jìn)后的系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)的工作流程Fig.3 Flowchart of improved UAV flight control system

3.1.2 各控制器的控制算法

常規(guī)飛行控制系統(tǒng)中，位置控制器采用比例-積分-微分（Proportion Integration Differentiation，PID）算法，速度控制器采用PD算法。為了保持無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定性，本文沿用開(kāi)源飛控中已有的此部分。

降落飛行控制系統(tǒng)中，降落專用位置控制器選用PI型的控制算法［15］；針對(duì)降落專用速度控制器，為了確保巡檢無(wú)人機(jī)的降落精度和應(yīng)對(duì)不同的使用場(chǎng)景，本文設(shè)計(jì)了以下兩種算法

（1）全程勻速降落飛行的控制算法：

式中：vk為無(wú)人機(jī)在降落過(guò)程中水平飛行的固定速度；D1為降落允許誤差距離閾值；Δi(i=x，y)表示無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)位置（X，Y，Z）與待降落位置（0，0，0）的X與Y軸差的絕對(duì)值，即：

（2）分段勻速降落飛行的控制算法

考慮到野外降落的實(shí)際場(chǎng)景，本文提出了一種分段勻速降速飛行的控制算法，定義為：

其中：vmax，vmin為無(wú)人機(jī)在降落過(guò)程中水平飛行的最大速度和最小速度，數(shù)值越大，時(shí)間效率越高，但存在著失控的風(fēng)險(xiǎn)；D1，D2，D3分別為降落允許誤差距離閾值、低速調(diào)整距離閾值和變速調(diào)整距離閾值；t表示當(dāng)滿足D2＜Δi≤D3后的時(shí)間累計(jì)，T為一個(gè)降速周期，表示為：

由式（3）可見(jiàn)，無(wú)人機(jī)在距離降落原點(diǎn)比較遠(yuǎn)的時(shí)候，以速度vmax勻速飛行；在距離適中時(shí)，采用逐步降低速度的方式飛行；在接近降落原點(diǎn)時(shí)，以速度vmin勻速飛行。

3.2 無(wú)人機(jī)位置坐標(biāo)解算算法

本文采用UWB定位技術(shù)獲取無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)，常見(jiàn)的方法有基于信號(hào)到達(dá)角度法（Angle of Arrival，AOA）、基于信號(hào)接收強(qiáng)度法（Received Signal Strength Indication，RSSI）、基于信號(hào)接收時(shí)間法（Time of Arrival，TOA）與基于信號(hào)時(shí)間到達(dá)差法（Time Different of Arrival，TDOA）。相較于其余3種算法，TDOA無(wú)需UWB標(biāo)簽與基站之間進(jìn)行時(shí)鐘同步，僅需基站之間進(jìn)行時(shí)鐘同步。

從更深入的角度來(lái)看，定位過(guò)程具體包括了測(cè)距和位置解算兩個(gè)過(guò)程。在測(cè)距方面，理論上距離值為信號(hào)的飛行時(shí)間與速度的乘積，常見(jiàn)的算法有單向測(cè)距法、單邊雙向測(cè)距法與非對(duì)稱雙邊雙向測(cè)距法［16-17］。相較于前兩種算法，非對(duì)稱雙邊測(cè)距法很好地避免了UWB標(biāo)簽與基站之間需要進(jìn)行時(shí)鐘同步的問(wèn)題，降低了由時(shí)鐘漂移所帶來(lái)的誤差，同時(shí)也彌補(bǔ)了TDOA法需要基站之間進(jìn)行時(shí)鐘同步的不足，因此本文采用該方法。在位置解算方面，常見(jiàn)的算法有極大似然估計(jì)法、Fang算法、四邊測(cè)量法［18］與Chan算法［19］等。其中，Chan算法是一種基于TDOA的算法，是極大似然估計(jì)的一個(gè)近似實(shí)現(xiàn)，可利用冗余觀測(cè)值。相較于Fang算法，Chan算法可擴(kuò)展運(yùn)用于三維定位。相較于四邊測(cè)量法，Chan算法可較好地解決方程組中無(wú)最優(yōu)解的問(wèn)題，因此本文采用該方法。

3.3 降落引導(dǎo)策略

3.3.1 降落策略

針對(duì)無(wú)人機(jī)在降落過(guò)程中可能遇到的復(fù)雜情況，本文提出以下4種降落策略：

（1）全程勻速+步進(jìn)降落策略（策略一），巡檢無(wú)人機(jī)以式（1）計(jì)算的速度定高飛行，步進(jìn)的含義：無(wú)人機(jī)首先往X或Y中任意一軸的方向飛行，將另一軸上的位置偏差降至允許誤差內(nèi)，然后同理再往另一軸方向飛行；接著緩慢降至停機(jī)坪上；

（2）分段勻速降速+步進(jìn)降落策略（策略二），巡檢無(wú)人機(jī)以式（3）計(jì)算的速度定高飛行，步進(jìn)過(guò)程與策略一相同；

（3）全程勻速+直接降落策略（策略三），巡檢無(wú)人機(jī)以與策略一相同的速度定高飛行，直接的含義：無(wú)人機(jī)直接在降落原點(diǎn)的上方飛行，將X方向與Y方向的位置偏差都降至允許誤差內(nèi)后，再緩慢降至停機(jī)坪上；

（4）分段勻速降速+直接降落策略（策略四），巡檢無(wú)人機(jī)以與策略二相同的速度定高飛行，直接過(guò)程與策略三一致。

3.3.2 降落策略選擇依據(jù)

根據(jù)上述提出的4種降落策略，本文提出一種降落策略的選擇依據(jù)，考慮因素有：無(wú)人機(jī)剩余電量、要求的降落精度和斜對(duì)角線上是否有障礙物。

定義策略系數(shù)s如下：

其中：

其中：b為分布式機(jī)場(chǎng)斜對(duì)角線附近是否有障礙物的系數(shù)，若有障礙物，b=1，意味著必須采用步進(jìn)降落策略，若無(wú)障礙物，b=0，不對(duì)降落策略有強(qiáng)制要求；p為降落精度要求系數(shù)，取值為［0，1］，數(shù)值越大，精度要求越高，當(dāng)p=0時(shí)，降落精度無(wú)要求，當(dāng)p=1時(shí)，降落精度要求最高；U，UC，UM分別表示電池當(dāng)前電壓、允許飛行截止電壓和電池充電截止電壓。

通過(guò)上述分析可見(jiàn)，s的取值為［0，2］。

定義降落策略的判斷依據(jù)如下：

其中：S1為選擇時(shí)間效率最高的降落策略，保證無(wú)人機(jī)能快速完成降落，避免電量耗盡；S2為選擇時(shí)間效率較高且降落精度較高的降落策略；S3為選擇時(shí)間效率高的步進(jìn)降落策略，減少降落過(guò)程中障礙物的干擾；S4為選擇降落精度最高的步進(jìn)降落策略，充分保證降落精度。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

4.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建

本文所搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要有：

（1）無(wú)人機(jī)系統(tǒng)

采用匿名飛控的直徑為400 mm、“X”型四旋翼無(wú)人機(jī)；1個(gè)UWB定位標(biāo)簽，安裝在無(wú)人機(jī)上，并與飛控通信，如圖4（a）所示。

（2）地面定位基站群

以待降落原點(diǎn)為原點(diǎn)O(0，0，0)建立坐標(biāo)系，6個(gè)UWB基站的相對(duì)位置坐標(biāo)分別為A（-300，300，0），B（0，300，0），C（300，300，0），D（-300，0，0），E（-300，-300，0），F(xiàn)（300，-300，0），單位為cm，構(gòu)成一個(gè)邊長(zhǎng)為6 m的正方形拓?fù)?，為了方便?shí)驗(yàn)，將基站布置在同一平面上，如圖4（c）所示。

（3）分布式機(jī)場(chǎng)

分布式機(jī)場(chǎng)的實(shí)物尺寸為1.2 m×1.2 m×1.6 m，且質(zhì)量達(dá)到845 kg，停機(jī)坪尺寸為0.9 m×0.9 m的正方形，內(nèi)部有直徑為60 cm的圓形靶標(biāo)，如圖4（d）所示。為方便實(shí)驗(yàn)，本文在地面鋪60 cm×60 cm的坐標(biāo)紙代表分布式機(jī)場(chǎng)的停機(jī)坪降落區(qū)域，如圖4（b）所示。

圖4 無(wú)人機(jī)飛機(jī)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要硬件Fig.4 Main hardware parts of UVA flight control experimental system

4.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

（1）實(shí)驗(yàn)一：引導(dǎo)系統(tǒng)的靜態(tài)定位性能實(shí)驗(yàn)，目的是檢驗(yàn)引導(dǎo)系統(tǒng)中標(biāo)簽靜止時(shí)的坐標(biāo)解算誤差和穩(wěn)定性。

（2）實(shí)驗(yàn)二：降落策略的性能實(shí)驗(yàn)，目的是驗(yàn)證四種降落策略的可行性，并獲取降落誤差、降落軌跡和降落時(shí)間。

（3）實(shí)驗(yàn)三：引導(dǎo)系統(tǒng)的容錯(cuò)性能實(shí)驗(yàn)，目的是檢驗(yàn)引導(dǎo)系統(tǒng)在有基站突發(fā)性不工作時(shí)的可靠性。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.3.1 引導(dǎo)系統(tǒng)的靜態(tài)定位性能實(shí)驗(yàn)

將標(biāo)簽分別放置在拓?fù)鋬?nèi)外的特定位置，采集并統(tǒng)計(jì)標(biāo)簽的位置數(shù)據(jù)，得到引導(dǎo)系統(tǒng)的靜態(tài)定位誤差分布，如圖5所示。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總量為68組，從圖5可得，X軸誤差約為-20～14 cm，Y軸誤差約為-20～10 cm，Z軸誤差約為-50～28 cm。X，Y和Z軸的誤差規(guī)律符合正態(tài)分布，概率密度函數(shù)表達(dá)式為：

圖5 靜態(tài)誤差Fig.5 Static errors

其中：X軸的均值μ=-5.37 cm，方差σ2=6.60，Y軸的均值μ=-0.50 cm，方差σ2=7.42，Z軸的均值μ=-10.82 cm，方差σ2=19.21。

由于UWB定位基站提供的Z軸數(shù)據(jù)誤差比較大，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，無(wú)人機(jī)的高度數(shù)據(jù)由氣壓傳感器SPL06-001和光流模塊（使用激光TOF測(cè)距方式進(jìn)行高度測(cè)量）的數(shù)據(jù)融合而成，定高誤差為±5 cm。

4.3.2 降落策略的性能實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）無(wú)人機(jī)以指定的點(diǎn)為初始位置，高度初始值均為300 cm，具體位置點(diǎn)見(jiàn)表1。

（2）策略一下，參數(shù)設(shè)置為：D1=15 cm，經(jīng)實(shí)際降落驗(yàn)證，vk=80 cm/s是一個(gè)能保證較好的降落精度與穩(wěn)定的速度值；在起點(diǎn)位置觸發(fā)自主降落，無(wú)人機(jī)先調(diào)整X軸，當(dāng)X軸的誤差小于D1后，再調(diào)整Y軸，當(dāng)Y軸的誤差小于D1后，無(wú)人機(jī)緩慢降落。

表1 初始位置點(diǎn)Tab.1 Original taking-off coordinates

（3）策略二下，參數(shù)設(shè)置為：D1=15 cm，D2=200 cm，D3=500 cm，經(jīng)實(shí)際降落驗(yàn)證，在降落剛開(kāi)始時(shí)，無(wú)人機(jī)能夠以相對(duì)比較快的水平速度靠近降落點(diǎn)，且可以在短時(shí)間內(nèi)降至vmin，取vmax=200 cm/s；在降落末端也需要一個(gè)能夠保證降落精度與穩(wěn)定的速度值，因此取vmin=vk=80 cm/s；采用與策略一相同的調(diào)整次序。

（4）策略三下，參數(shù)與策略一相同。同時(shí)調(diào)整X和Y軸，當(dāng)位置誤差均小于D1后，無(wú)人機(jī)緩慢降落。

（5）策略四的參數(shù)與策略二相同。采用與策略三相同的調(diào)整次序。

（6）在表1中的每個(gè)初始位置點(diǎn)進(jìn)行5次降落實(shí)驗(yàn)，即每種策略均進(jìn)行60組降落實(shí)驗(yàn)，獲得降落數(shù)據(jù)，得到降落點(diǎn)位置的直方圖如圖6所示。

由圖6可得：

（1）策略一，X軸平均誤差為13.9 cm，Y軸平均誤差為8.2 cm，分布在-15～25 cm內(nèi)，降落精度優(yōu)于另外三種策略。

（2）策略二，X軸平均誤差為17.2 cm，Y軸平均誤差為15.0 cm，分布在-30～30 cm內(nèi)。

（3）策略三，X軸和Y軸的平均降落誤差分別為16.8 cm和14.6 cm，分布在-30～30 cm內(nèi)。相對(duì)于步進(jìn)降落策略，直接降落的誤差略微增大。

（4）策略四，X軸和Y軸的平均降落誤差分別為19.2 cm和15.8 cm，分布在-30～30 cm內(nèi)。與其他策略對(duì)比可見(jiàn)，策略四的降落位置更加分散。

圖6 降落位置分布直方圖Fig.6 Histogram of landing positions

4.3.3 引導(dǎo)系統(tǒng)的容錯(cuò)性能實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)步驟為：

（1）初始位置點(diǎn)為（1 000，1 000，300）。

（2）在策略四的基礎(chǔ)上，出于安全考慮，參數(shù)設(shè)置為：D1=15 cm，D2=500 cm，D3=800 cm，vmax=150 cm/s，vmin=80 cm/s。

（3）在無(wú)人機(jī)進(jìn)入拓?fù)鋬?nèi)部后，人工將基站B斷電、基站B與D同時(shí)斷電，模擬1個(gè)、2個(gè)基站故障，分別進(jìn)行10組降落實(shí)驗(yàn)并記錄降落數(shù)據(jù)，降落點(diǎn)分布如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)三結(jié)果Fig.7 Result of the third experiment

由圖7可得，在有1～2個(gè)基站突發(fā)性不工作的情況下，引導(dǎo)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有所下降，但依然能夠引導(dǎo)無(wú)人機(jī)降落，且降落誤差也在-30～30 cm內(nèi)，滿足降落要求。

4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

4.4.1 降落過(guò)程的軌跡對(duì)比分析

以初始位置點(diǎn)（1 000，1 000，300）作為案例，4種降落策略的無(wú)人機(jī)飛行軌跡如圖8所示。

圖8 不同策略下無(wú)人機(jī)的降落軌跡Fig.8 Flying curves of UAV in different strategies

由圖8可得：

（1）在圖8（a）和8（c）中，勻速段與微調(diào)段均為無(wú)人機(jī)以速度vk勻速飛行。在圖8（b）和8（d）中，勻速段為無(wú)人機(jī)以速度vmax勻速靠近待降落原點(diǎn)，數(shù)據(jù)點(diǎn)均勻分布；變速段為無(wú)人機(jī)逐步減速靠近待降落點(diǎn)正上方，數(shù)據(jù)點(diǎn)逐漸變密；微調(diào)段為無(wú)人機(jī)到達(dá)待降落原點(diǎn)上方附近，以速度vmin微調(diào)靠近降落原點(diǎn)并降落。

（2）由圖8（a）與圖8（b）可得，策略一的飛行軌跡更加接近理論軌跡，即策略一比策略二有更小的動(dòng)態(tài)誤差。此外，圖8（b）的軌跡數(shù)據(jù)點(diǎn)明顯比圖8（a）更加稀疏，這說(shuō)明策略二的飛行速度明顯比策略一更快，與理論相符，因此策略二在時(shí)間效率上更具優(yōu)勢(shì)。圖8（c）與圖8（d）也可得到相同的結(jié)論。

（3）由圖8（c）與圖8（d）的微調(diào)段可得，策略三的微調(diào)段明顯比策略四更小，這說(shuō)明策略三的微調(diào)時(shí)間更短。圖8（a）與圖8（b）的微調(diào)段可見(jiàn)，二者差異不明顯。

（4）在路徑方面，由圖8（a）與圖8（c）可得，8（c）的路徑明顯比圖8（a）的路徑更短，這說(shuō)明策略三在降落過(guò)程中飛行距離短，時(shí)間效率更高。圖8（b）與圖8（d）也可得到相同的結(jié)論。

4.4.2 降落過(guò)程時(shí)間的對(duì)比分析

4種降落策略實(shí)際的降落時(shí)間對(duì)比如圖9所示。由圖9可得：

（1）4種降落策略的降落時(shí)間均隨著初始距離的增大而增長(zhǎng)，強(qiáng)度不同的側(cè)風(fēng)會(huì)對(duì)時(shí)間產(chǎn)生影響。

（2）策略一花費(fèi)的降落時(shí)間最長(zhǎng)。

（3）策略二相對(duì)于策略一，時(shí)間效率提高了

12.8%～55.8%。

（4）策略三相對(duì)于策略一和策略二，時(shí)間效率分別提高了21.3%～62.1%和9.8%～24.5%。

（5）策略四相對(duì)于策略一、策略二和策略三，時(shí)間效率大約分別提高了29.8%～62.8%，13.1%～26.0%和1.7%～8.3%。

由此可見(jiàn)，在綜合考慮動(dòng)態(tài)誤差和時(shí)間效率的情況下，策略三總體上優(yōu)于其余3種策略。

圖9 降落時(shí)間對(duì)比Fig.9 Comparison of landing time

4.4.3 綜合對(duì)比分析

綜合對(duì)比飛行過(guò)程的軌跡、降落點(diǎn)誤差和降落效率可見(jiàn)：

（1）4種降落策略下容錯(cuò)性實(shí)驗(yàn)共做260組。在有不同方向的側(cè)風(fēng)干擾的情況下，全部實(shí)驗(yàn)的無(wú)人機(jī)落點(diǎn)均在-30～30 cm之內(nèi)，即降落在分布式機(jī)場(chǎng)原點(diǎn)±30 cm以內(nèi)的可靠度為100%；降落在±25 cm以內(nèi)的可靠度為79.6%；降落在±20 cm以內(nèi)的可靠度為65.4%。

（2）在4種降落策略中，策略一的平均降落誤差為11.1 cm，在4種引導(dǎo)策略中最小。

（3）若考慮落點(diǎn)范圍、動(dòng)態(tài)誤差與時(shí)間效率的綜合性能，策略三優(yōu)于其余3種策略。

（4）根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與式（7）分析可得，在降落策略選擇方面，當(dāng)巡檢無(wú)人機(jī)電量充足且需要較高降落精度時(shí)，R=S4，選擇降落精度最高的步進(jìn)降落策略，即策略一；巡檢無(wú)人機(jī)電量低于一定閾值且分布式機(jī)場(chǎng)斜對(duì)角上沒(méi)有障礙物時(shí)，R=S2，選擇時(shí)間效率較高且降落精度較高的降落策略，即策略三；當(dāng)巡檢無(wú)人機(jī)電量低于一定閾值且分布式機(jī)場(chǎng)斜對(duì)角上有障礙物時(shí)，R=S3，選擇時(shí)間效率高的步進(jìn)降落策略，即策略二。由此可見(jiàn)，本文提出的降落策略判斷依據(jù)R是準(zhǔn)確且有效的。

5 結(jié) 論

針對(duì)電力巡檢無(wú)人機(jī)在弱光照、弱GPS信號(hào)條件下降落到野外分布式機(jī)場(chǎng)存在可靠性低、降落精度不高的問(wèn)題，本文提出了一種整體解決方案并進(jìn)行了實(shí)物驗(yàn)證。完整地構(gòu)建了巡檢無(wú)人機(jī)自主可靠降落到野外分布式機(jī)場(chǎng)的降落引導(dǎo)系統(tǒng)，改進(jìn)了降落飛行控制系統(tǒng)及速度控制算法，構(gòu)建了地面引導(dǎo)系統(tǒng)。提出了降落策略系數(shù)的概念，定義了降落策略的選擇范圍，并提出了體系化的降落引導(dǎo)策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的引導(dǎo)系統(tǒng)在直徑為60 2 cm的停機(jī)坪降落的可靠度為100%；在直徑為50 2 cm的停機(jī)坪降落的可靠度為79.6%。引導(dǎo)系統(tǒng)具備一定的容錯(cuò)性，當(dāng)出現(xiàn)任意兩個(gè)或者一個(gè)定位基站故障時(shí)，無(wú)人機(jī)依然能夠自主準(zhǔn)確可靠降落。在4種策略中，全程勻速+步進(jìn)降落策略具有最高的降落精度和最小的落點(diǎn)范圍。全程勻速+直接降落策略則兼具較高的時(shí)間效率和較好的降落精度，降落性價(jià)比最高。提出的策略選擇依據(jù)能夠根據(jù)環(huán)境狀況準(zhǔn)確給出合適的降落策略。下一步研究將使用無(wú)人機(jī)自主完成鐵塔的精細(xì)化巡檢。