圖3 貨物吊取的原型
圖4 無人機對運動物體的吊取
圖5 旋翼無人機吊掛負(fù)載飛行演示實驗
不難發(fā)現(xiàn)，目前這些系統(tǒng)只是在旋翼無人機系統(tǒng)上增加簡單吊取裝置來驗證整個概念的基本可行性而無人機吊掛系統(tǒng)是一個多變量、非線性、強耦合、欠驅(qū)動的復(fù)雜被控對象。無人機吊掛飛行時，吊掛負(fù)載的擺動會直接影響到無人機的飛行穩(wěn)定性。柔性吊掛自身的復(fù)合自由度以及其所處的復(fù)雜擾動環(huán)境使其同現(xiàn)有的具有作業(yè)能力的其他無人平臺系統(tǒng)相比，具體自身特有的控制難點，而且這些難點并不能通過旋翼無人機和吊掛系統(tǒng)各自建模、規(guī)劃與控制方法的簡單組合來解決。這些問題正是相關(guān)研究機構(gòu)的研究重點，且已經(jīng)逐漸成為了無人機研究領(lǐng)域的一個新熱點。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)研究院在動力學(xué)模型建立方面考慮吊掛纜繩的彈性和阻尼特性，推導(dǎo)出一個無坐標(biāo)系統(tǒng)的動力學(xué)模型。經(jīng)過數(shù)值仿真表明，針對非彈性纜繩的情況開發(fā)的幾何控制器仍然適用于彈性纜繩的情況。文獻(xiàn)將吊掛纜繩簡化成剛性連接桿，研究了吊掛負(fù)載對旋翼無人機動力學(xué)特性的影響，并討論了在吊掛負(fù)載的影響下旋翼無人機的飛行穩(wěn)定性及其相應(yīng)的控制方案。文獻(xiàn)研究了因吊掛負(fù)載的擺動而引起旋翼無人機系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，并重點分析了擺動產(chǎn)生的基本條件及原因，以及懸掛點位置、不確定載荷質(zhì)量等對無人機和吊掛負(fù)載耦合運動的影響。綜合上述分析，吊掛點、載荷質(zhì)量和動力學(xué)模型等與吊掛無人機飛行特性密切相聯(lián)，在加裝吊掛裝置時要充分考慮其構(gòu)型及結(jié)構(gòu)參數(shù)等引起的整體耦合系統(tǒng)的變化，降低上述因素對飛行穩(wěn)定性和可控性的影響。
為了保證無人機系統(tǒng)能夠在吊掛物擺動時保持穩(wěn)定的飛行狀態(tài)，需要對無人機系統(tǒng)的協(xié)調(diào)規(guī)劃和控制問題進(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)研究人員對無人機系統(tǒng)裝載一個纜繩掛載機器人在搬運貨物時二者的協(xié)調(diào)問題開展了深入研究。挪威科技大學(xué)研究人員開發(fā)了基于反推技術(shù)的非線性跟蹤控制器，除了抑制擺動負(fù)載的影響之外，控制器還可以補償未知的恒定風(fēng)力擾動，通過開環(huán)整形濾波器規(guī)劃無路徑來減小懸掛載荷的擺動。瑞士蘇黎世大學(xué)、美國麻省理工學(xué)院P.Foehn和R.Tedrake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)化問題轉(zhuǎn)化為帶有互補約束的數(shù)學(xué)程序（MPCC）。國賓夕法尼亞大學(xué)的研究人員基于微分平滑（differential flatness）方法設(shè)計了針對平面四旋翼無人機吊掛系統(tǒng)的控制器，實現(xiàn)了針對平面四旋翼無人機吊掛系統(tǒng)的軌跡生成和跟蹤，并將這種控制放大擴展到三維環(huán)境。利用幾何控制（geometric control）和微分平滑方法，達(dá)到了四旋翼無人機吊掛系統(tǒng)幾乎全局指數(shù)穩(wěn)定的控制效果。
上述規(guī)劃與控制方法或者對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，或者對于單純的外界干擾具有一定的不確定性。但是，由于動力學(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于無人機系統(tǒng)的自主控制仍然難以取得較好的控制性能。
在國外研究取得初步進(jìn)展的同時，我國也開始意識到無人機面向自主任務(wù)作業(yè)的重要性和迫切需求。中國航空工業(yè)集團(tuán)在2013年成功舉辦了國際無人飛行器大獎賽，在旋翼組的競技類比賽中設(shè)置的比賽任務(wù)中，以運動中艦船間的空中補給為背景，要求無人機在兩個移動平臺之間實現(xiàn)自主定位抓取，運送和碼放物資的作業(yè)。以任務(wù)完成精準(zhǔn)度和完成時間作為考核指標(biāo)。該比賽吸引了來自新加坡國立大學(xué)、清華大學(xué)、北航和南航等國內(nèi)外眾多高校研究團(tuán)隊參加。最終，只有中科院沈陽自動化研究所成功抓取全部物資并完成碼放作業(yè)，同時以總分第一名獲得冠軍。
圖6 國際無人飛行器大獎賽任務(wù)示意圖
此外，近年來國內(nèi)高校也相繼開展了對吊掛無人機的控制研究，取得了一定的成果。中科院沈陽自動化研究所韓建達(dá)等人設(shè)計了四旋翼懸掛負(fù)載系統(tǒng)的滑?？刂?驗證了對負(fù)載擺動和系統(tǒng)不確定性的強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)隊針對四旋翼無人機吊掛飛行系統(tǒng)，設(shè)計了一種新型控制策略，建立四旋翼無人機吊掛系統(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人機重心位置的質(zhì)點，通過能量分析的方法設(shè)計了針對此系統(tǒng)的非線性控制器。經(jīng)仿真驗證，可以在抑制吊掛負(fù)載擺動的同時將四旋翼無人機移動到目標(biāo)位置。華中科技大學(xué)杜沛力等人，針對無人機攜帶吊掛負(fù)載物的系統(tǒng)通過結(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人機運動特性與負(fù)載物擺動之間關(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)計了二型模糊控制器對無人機空間位置及負(fù)載物擺動進(jìn)行控制，通過仿真結(jié)果證明了二型模糊控制能達(dá)到控制無人機位移及抑制負(fù)載物擺動的效果，驗證了無人機攜帶吊掛負(fù)載應(yīng)用的可行性以及面對外界干擾的魯棒性。
3. 結(jié)論
無人機因其獨特的優(yōu)勢，越來越受到國內(nèi)外高度重視。通過上述對吊掛無人機的飛行控制技術(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)上的無人機面臨的技術(shù)問題依然艱巨。尤其對于吊掛無人機來說，其自身復(fù)雜特殊的運動機理將是我們面臨的重大難題。就目前發(fā)展來看，對于吊掛無人機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，無人機必將得到更進(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，也將改變未來戰(zhàn)爭的形式。而對于面向自主任務(wù)作業(yè)的吊掛無人機來說也必然會有美好的發(fā)展前景。
作者：齊俊桐 平原
本文刊載自《無人系統(tǒng)技術(shù)》2018年第1期
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