合作型固定翼无人机怎么控制与操纵?这篇综述告诉你

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该研究通过调整尾翼、旋翼和机翼配置进行操纵无人机。合作型固定翼无人机之所以重要,是因为其更大的区域覆盖范围,使其与单架固定翼无人机相比,可以更快地完成指定任务。此外,与合作型多旋翼无人机的续航能力相比,合作型固定翼无人机的续航能力要高得多。


该研究中所介绍的论文在合作架构和策略以及机翼、尾翼和旋翼配置方面都尽可能的选择了多种多样的合作方式。随着计算机、传感器和执行器的快速发展,这些都是一般无人机的主要组成部分,固定翼无人机技术的发展是一个必然的结果。而更进一步,这可以带动合作固定翼无人机的发展,与单架无人机相比,固定翼无人机具有更大的能力。本文以“A review on control and maneuvering of cooperative fixed-wing drones”为题于2020年11月3日发布于《International Journal of Dynamics and Control》杂志上。

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研究背景与内容


无人驾驶航空器(UAV),又称无人机,是一种机上没有人类飞行员的小型飞机。通常情况下,它们是由地面控制器通过基地与无人机之间的通信系统进行遥控的。


如今,在军事和非军事场合,与无人机技术相关的应用渐渐增多。在军事应用中,无人机被设计为在对士兵生命构成威胁的危险区域作业。这给士兵带来了额外的战术优势,特别是在执行侦察活动方面。因此,在所有的军事活动中,士兵不再需要将自己的生命置于危险之中。


在非军事应用中,无人机可以用于许多民用活动,包括,摄影和电影制作,农业,包裹运送,测量和绘图等。而且这个清单还在不断增加。随着其应用数量的增加,全球范围内对无人机的需求量急剧增加。这就导致了技术本身的进步,以满足用户的诸多需求


基于如何实现升力,有两种无人机:通过空中向前运动实现升力的固定翼无人机和从转子运动获得升力的多旋翼无人机。


多旋翼无人机,也称多旋翼无人机,是一种有两个以上旋翼的旋翼飞行器。固定翼无人机是一种比空气更重的无人机,它能够用机翼的升力在空中向前移动。


下面介绍了不同的控制体系结构、控制策略、路径规划、避障和容错技术。无人机的协同控制是一种控制两架或两架以上无人机的方法,它使用一个控制器来完成一个共同的目标或任务。


如下图所示,这是一种无人机控制的概念,它是从一群鸟类中获得的。在这种方法中,一些无人机被归类为领导者,而另一些则是追随者。领导者的状态构成协调变量,因为一旦知道领导状态,就会完全定义编队中其他车辆的行动。

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在这种方法中,整个编队被看作是一个单一的虚拟刚体结构.在这里,每个车辆跟随一个移动点,这允许虚拟结构可能被附加到另一个车辆上,如下图所示。控制一组无人机比控制单个无人机更容易,因为编队中的所有特工都被视为一个单一的目标。


为编队中的每个车辆推荐一组期望的行为,包括编队保持、目标识别和避障。每辆车的控制动作是对每一种行为的控制的加权平均值。它主要适用于不熟悉的环境,但缺乏全面的理论分析。

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为了实现编队控制,单机自主飞行是无人机编队保持和决策的基础。为了控制一架无人机并使其进行基本导航,需要澄清无人机动力学和控制表面的系统状态。


模糊逻辑控制(FLC)系统在许多飞行控制应用中得到了广泛的应用。有三个模糊控制器:一个用于横向控制,两个用于纵向控制。


Kestrel自动驾驶仪是在杨百翰大学(BYU)设计的,由Procerus技术公司制造。它配备了29 MHz的兔子3000,这是一个本地可用的处理器,有512 K RAM,用于星载数据记录。它的重量为16.7克,这足以证明它是小型飞机的完美自动驾驶仪。具有自主起降能力、航向导航能力、速度和高度保持能力。飞行控制的计算依赖于常规的PID控制。自动驾驶仪有独立的升降控制器、油门控制器和副翼控制器。

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图为虚拟驾驶舱编程软件


Paparazzi是一个开源的硬件和软件项目,旨在通过允许和鼓励社区的投入,为各种类型的自主飞机创建一个灵活的自动驾驶仪系统。Paparazzi让用户完全控制代码;可以对自动驾驶仪进行修改,以满足系统的需要。除了机载硬件和软件(从电压调节器、IMU板和GPS接收器到卡尔曼滤波代码),该项目还包括一个不断扩展的地面硬件和软件阵列,包括调制解调器、天线和一个与仿真环境的地面控制软件接口。机载软件支持多种微处理器体系结构和各种硬件配置。

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图为一个自动驾驶仪硬件,其上集成了gps接收机


Paparazzi也有两个开放的串口的微型Twog自动驾驶仪,可以用来连接IMU和调制解调器。一个卡尔曼滤波器正在自动驾驶仪上运行,以提供基于GPS更新的更快的位置估计。Paparazzi自动驾驶仪具有航路导航、区域搜索和飞行中重装任务的能力。


基于学习的模型预测控制是一种新的技术,它将统计和学习与控制技术紧密结合起来,同时提供了安全性、鲁棒性和收敛性的保证级别。在该控件中,用户很容易根据系统的响应和行为进行一些修改,以满足一定的性能要求。该控制器具有处理控制输入和状态的困难约束和处理多变量、多输入多输出系统的能力。


研究针对不确定性和扰动估计技术,讨论了鲁棒协同控制算法。在该研究中,设计了无人机,并给每个无人机分配了一个虚拟先导,定义了相应的近距离编队无人机的所需位置。对近距离编队的无人机采用双向通信拓扑,在此基础上建立了各无人机的协同控制律。利用不确定性和扰动估计器对模型不确定性和编队气动扰动进行了有效的估计和补偿。通过对五架无人机的近距离编队仿真,验证了该设计的有效性。


从研究中,如果将简化的无人机运动学模型中的航向角方程看作一个一阶方程,则由于协调的转弯条件,无法对滚转角进行初始化,而由速度和航向角速度来计算滚转角。


当从上面或下面看到机翼的轮廓时,翼型就是机翼的轮廓。研究给出了考虑结构重量和最大升力约束的机翼板形最小阻力优化计算结果。通过对研究结果的分析,论证了机翼形状的重量约束、阻力压缩性、最大升力和静态气动弹性对机翼形状的影响,以及对这些影响进行建模以实现实际优化平台的必要性。

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图为不同高宽比的无人机


这是因为不同的原因,机翼被后掠、向前或直扫的能力。下面列举了各种不同的掠翼例子。直翼与飞行线成直角展开。前掠的翅膀从根部向前倾斜.后掠翼是向后飞的方向,通常用于快速无人机。

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图中显示了机翼几何形状的不同变化及其对无人机机动性的贡献

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图为机翼在水平平面上的投影宽度


可变的几何形状使机翼能够调整其空气动力学性能,无论是斜的还是任何机翼的几何形状,它都能提高升力与阻力比。翼展是从翼尖到翼尖的距离,如图所示。


机翼结构引入的变形思想是改变翼展。通过增加巡航飞行中的翼展,减小起飞和着陆距离,增加机动控制机构的纵横比,从而提高无人机的飞行距离和耐力。


该研究讨论了使用可变翼展来提高无人机的性能、控制能力、耐力和机动性。一个不对称的跨度延长线被用来替换副翼,并保持对无人机整个飞行封套的滚动控制。固定翼无人机通过控制机翼的气动跨度,可以提高飞机的敏捷性、飞行特性、减小诱导阻力、提高横向稳定性和改善失速特性。


固定翼无人机可以有不同数量的机翼飞机。这包括单翼飞机,即一翼飞机;双翼飞机,其两翼飞机的大小相似,一架在另一翼之上;三架飞机,一架飞机,四架飞机,四架飞机,一架一架;多架飞机,多架飞机,指的是一个或多个任意数的多个平面。


尾翼飞机是位于固定翼无人机主起重面后面的小型起重面,通常称为水平稳定器。固定翼无人机需要一条尾巴来维持稳定和控制。它有助于调整速度变化引起的重心位置。


尾翼数是指固定翼无人机尾翼飞机的数量,通常从零(无尾)到三(Roe三翼飞机)。零尾翼飞机,也称无尾飞机,是由于其具有良好的VTOL性能、稳定性和机动性特点而设计的。

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图为无尾固定翼无人机


尾翼飞机的位置定义了无人机的尾部是如何安装的,在机身、尾翼或尾翼上安装在高度、中部或较低的位置。

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图为url的双转子系统

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图为倾斜旋翼无人机

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图为旋翼无人机


将协同无人机上的单个平台的有效性和鲁棒性结合起来,使它们能够执行一些复杂的任务。控制自动驾驶仪用于编队保持、避障和编队飞行控制。文献综述表明,大多数自动驾驶系统采用PID控制,具有实时处理、传感器集成、路径点导航、避障和系统改变等显著特点。然而,基于PID的自动驾驶仪控制有一些缺点,包括修改时进行调整,并且在某些时候它们是不稳定的,因此需要进行优化。


研究结论


该研究介绍了固定翼无人机的不同合作架构和合作策略,包括不同机翼、尾翼和旋翼配置的影响。对主平面的数量和位置、固定翼无人机的合作控制和单机控制、合作控制自动驾驶仪及其架构、固定翼无人机的机动性等方面进行了比较。协同控制具有任务完成速度快、覆盖面积大等诸多优点,但需要更多的功率和更复杂的网络架构。研究者建议解决合作式固定翼无人机的资源和复杂性限制问题,以更多地利用其更大的能力。


参考文献:Thato Elijah, Rodrigo S. Jamisola Jr., Zeundjua Tjiparuro & Molaletsa Namoshe A review on control and maneuvering of cooperative fixed-wing drones  International Journal of Dynamics and Control (2020)


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