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引言
當(dāng)今，無人機以自身獨特的優(yōu)勢獲得了極大的發(fā)展，在軍用、警用、國土安全，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)下人工智能的時代浪潮中，其研究成果也是日新月異，物流運輸已成為無人機重要的應(yīng)用方向之一。無人機作為一個理想的作業(yè)平臺，吊掛飛行是其遂行任務(wù)之一。它具有靈活的機動性，可以在其它運輸工具難以到達的地方，快速、高效地開展物資運輸投放作業(yè)；而且無需考慮地理環(huán)境，不受陸地交通運輸?shù)墓苤?，操作簡單易上手；再者，采用吊掛形式的運輸不用擔(dān)心吊掛物外形的影響。因次，吊掛無人機在軍事和民用領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。然而無人機在吊掛物體飛行時，其系統(tǒng)穩(wěn)定性會受到來自吊掛物體擺動的影響，這也是國內(nèi)外高校和研究團隊關(guān)注和研究的焦點
1. 吊掛無人機飛行控制特點
吊掛無人機是一個多變量、非線性、強耦合、時變、欠驅(qū)動的高階耦合系統(tǒng),是一個復(fù)雜的被控對象, 其主要特點體現(xiàn)在以下幾個方面：
建模難度大
對于無人平臺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，并不能通過無人機和垂吊物各自建模、控制與規(guī)劃方法的簡單組合來解決，而且很難建立精確的全機動力學(xué)模型，這對吊掛無人機控制系統(tǒng)的魯棒性提出了極大的挑戰(zhàn)。
耦合特性嚴(yán)重
無人機本身存在嚴(yán)重的耦合，而吊繩和吊掛物的引入則改變了系統(tǒng)整體氣動布局，進而加劇了耦合。
全機動力學(xué)特性復(fù)雜
面向任務(wù)作業(yè)過程中無人機、垂吊物、降落目標(biāo)相對運動，加之隨機的環(huán)境擾動，使其產(chǎn)生復(fù)雜的全機動力學(xué)特性。使得垂吊物與降落地面接觸過程中兩者之間的作用力/力矩及隨機的外力/力矩擾動將使系統(tǒng)動力學(xué)模型呈獻較多不確定結(jié)構(gòu)和參數(shù)。
2. 國內(nèi)外發(fā)展及技術(shù)研究現(xiàn)狀
吊掛無人機是近年來出現(xiàn)的一個新概念，就目前公開發(fā)表的相關(guān)文獻來看，其研究成果還比較少。尤其在型號無人機方面，由于一直是世界各國軍方推崇的裝備，相關(guān)研究屬于機密，目前一些發(fā)達國際的研究成果也未公開發(fā)表。
在大型吊掛無人機研究方面，就目前來看其技術(shù)相對成熟的當(dāng)屬美國和以色列，比如美國的格魯門公司，以色列飛機工業(yè)公司馬拉特分部等在型號無人機方面都具有相當(dāng)成熟的技術(shù)成果。其次技術(shù)比較成熟的是英國、德國、意大利法國等歐洲發(fā)達國家。此外日本的雅馬哈公司在這方面的研究也是居世界前列。但是，對于執(zhí)行外吊掛運輸任務(wù)的無人直升機來說研究成果相對較少，公開發(fā)表的文章也也寥寥無幾。我們可以看到的，如美國卡曼公司的K-MAX和洛克希德馬丁公司的MQ-8C都是專門用來執(zhí)行機外吊掛運輸任務(wù)的無人直升機。K-MAX無人直升機目前已經(jīng)可以達到自主飛行的技術(shù)水平，并且在阿富汗戰(zhàn)場上成功執(zhí)行了吊掛運輸補給任務(wù)。2015年6月，卡曼公司Aerosystems部門恢復(fù)K-MAX載重直升機的生產(chǎn)。K-MAX載重直升機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進行了恢復(fù)生產(chǎn)以來的首飛測試。
圖1 K-MAX吊掛無人直升機
圖2 MQ-8C吊掛無人直升機
國內(nèi)對無人直升機的研制始于“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力等關(guān)鍵技術(shù)方面跟國外相比差距依然很大，多數(shù)的核心元件需要進口，并且在研制模式上基本是對國外的成熟機型進行仿制或?qū)τ腥藱C進行無人化改造?！堆b備預(yù)先研究技術(shù)成熟度評價標(biāo)準(zhǔn)》，把我國工業(yè)無人直升機的技術(shù)成熟度列為7級(共9級)。技術(shù)相對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企業(yè)。但是，對于執(zhí)行吊掛運輸任務(wù)無人機的研究成果在國內(nèi)還尚未出現(xiàn)。
20世紀(jì)中期到90年代是利用直升機開展吊掛運輸作業(yè)的研發(fā)初創(chuàng)期，但由于關(guān)鍵技術(shù)問題不能很好解決，研制進程緩慢。隨著飛控技術(shù)的突破以及復(fù)合材料、動力、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)場偵察的需要,我國越來越重視無人直升機的研究，確保逐步實現(xiàn)智能化、多元化。但是，對于無人平臺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，并不能通過無人機和垂吊物各自建模、控制與規(guī)劃方法的簡單組合來解決，這對吊掛無人機控制系統(tǒng)的魯棒性提出了極大的挑戰(zhàn)。因此，現(xiàn)有用于無人機控制技術(shù)還不能完全應(yīng)用于吊掛無人機上面。
雖然目前對吊掛無人機的研究成果較少，但是針對非吊掛無人機的飛行控制，國內(nèi)外學(xué)者進行了廣泛的研究，對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，在理論上和實際型號應(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：魯棒控制、LQR控制、特征結(jié)構(gòu)配置、變結(jié)構(gòu)控制、MPC控制、動態(tài)逆控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制以及顯模型跟蹤控制等。
表1 無人機飛行控制方法及應(yīng)用
Table 1 UAV flight control method and its application
控制方法
特點
應(yīng)用及案例
PID 控制
工程實用性強，處理不確定能力弱
大多數(shù)國內(nèi)無人直升機
模糊控制
不依賴于對象的數(shù)學(xué)模型，靠經(jīng)驗進行推理
姿態(tài)、懸停、位置等
自適應(yīng)控制
處理不確定性能力強，對對象本身依賴較少，強擾動下處理能力弱
無人直升機全包線控制
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制
在推理，控制參數(shù)尋優(yōu)，故障診斷上有很強的優(yōu)勢，然而實時性難以保證且需要對象精確的數(shù)學(xué)模型
無人直升機全包線控制
魯棒控制
魯棒性強，設(shè)計計算復(fù)雜困難
姿態(tài)控、懸停、位置控制等
動態(tài)逆控制
對對象數(shù)學(xué)模型精確度要求高，逆模型求解困難，魯棒性不強
姿態(tài)控制、全包線飛行控制
MPC控制
與模型相關(guān)
姿態(tài)、高度、導(dǎo)航等
LQR控制
能夠處理系統(tǒng)的動態(tài)問題和噪聲問題，需要對象的精確模型
姿態(tài)解耦控制
顯模型跟蹤控制
設(shè)計簡單，響應(yīng)效果好，魯棒性不強
全包線飛行控制,已應(yīng)用于ADOCS 項目和 RASCAL 項目
特征結(jié)構(gòu)配置
閉環(huán)系統(tǒng)阻尼，可解耦，穩(wěn)定性好，多用在多輸入多輸出系統(tǒng)
目前在 BO-105型直升機上得到應(yīng)用
變結(jié)構(gòu)控制
魯棒性好，工程上不適用
全包線飛行控制和姿態(tài)控制
在小型吊掛無人機方面，其概念已經(jīng)得到初步驗證。德雷克賽爾大學(xué)自主系統(tǒng)實驗室研究并完成了旋翼機自主跟蹤，負(fù)載吊取，車輛部署的作業(yè)。通過懸吊在機架下的吊取裝置對整個系統(tǒng)展開了驗證。德國的蒂賓根生物控制研究所采用仿真旋翼無人機重點研究了無人機與負(fù)載之間的相對軌跡跟蹤，并且在仿真環(huán)境下實現(xiàn)了對動目標(biāo)的抓取。上述驗證案例均未進行樣機的實際試飛試驗。
新墨西哥大學(xué)計算機科學(xué)系設(shè)計并實現(xiàn)了基于干擾觀測器的旋翼無人機分層控制的自主飛行，提出了一種運動規(guī)劃方法，用于生成懸掛載荷的旋翼飛行無人機具有最小剩余擺動（無擺動）的軌跡，并通過計算機模擬和室內(nèi)演示實驗初步驗證了結(jié)果。
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