圖3 貨物吊取的原型
圖4 無人機(jī)對運(yùn)動(dòng)物體的吊取
圖5 旋翼無人機(jī)吊掛負(fù)載飛行演示實(shí)驗(yàn)
不難發(fā)現(xiàn)，目前這些系統(tǒng)只是在旋翼無人機(jī)系統(tǒng)上增加簡單吊取裝置來驗(yàn)證整個(gè)概念的基本可行性而無人機(jī)吊掛系統(tǒng)是一個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)耦合、欠驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜被控對象。無人機(jī)吊掛飛行時(shí)，吊掛負(fù)載的擺動(dòng)會(huì)直接影響到無人機(jī)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(dòng)環(huán)境使其同現(xiàn)有的具有作業(yè)能力的其他無人平臺(tái)系統(tǒng)相比，具體自身特有的控制難點(diǎn)，而且這些難點(diǎn)并不能通過旋翼無人機(jī)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(jī)構(gòu)的研究重點(diǎn)，且已經(jīng)逐漸成為了無人機(jī)研究領(lǐng)域的一個(gè)新熱點(diǎn)。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(dòng)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(gè)無坐標(biāo)系統(tǒng)的動(dòng)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(jī)動(dòng)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(jī)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(dòng)而引起旋翼無人機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，并重點(diǎn)分析了擺動(dòng)產(chǎn)生的基本條件及原因，以及懸掛點(diǎn)位置、不確定載荷質(zhì)量等對無人機(jī)和吊掛負(fù)載耦合運(yùn)動(dòng)的影響。綜合上述分析，吊掛點(diǎn)、載荷質(zhì)量和動(dòng)力學(xué)模型等與吊掛無人機(jī)飛行特性密切相聯(lián)，在加裝吊掛裝置時(shí)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(jī)系統(tǒng)能夠在吊掛物擺動(dòng)時(shí)保持穩(wěn)定的飛行狀態(tài)，需要對無人機(jī)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(jī)系統(tǒng)裝載一個(gè)纜繩掛載機(jī)器人在搬運(yùn)貨物時(shí)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(dòng)負(fù)載的影響之外，控制器還可以補(bǔ)償未知的恒定風(fēng)力擾動(dòng)，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(dòng)。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(bǔ)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(jì)了針對平面四旋翼無人機(jī)吊掛系統(tǒng)的控制器，實(shí)現(xiàn)了針對平面四旋翼無人機(jī)吊掛系統(tǒng)的軌跡生成和跟蹤，并將這種控制放大擴(kuò)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(jī)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(dòng)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(jī)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(shí)，我國也開始意識到無人機(jī)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(jiǎng)賽，在旋翼組的競技類比賽中設(shè)置的比賽任務(wù)中，以運(yùn)動(dòng)中艦船間的空中補(bǔ)給為背景，要求無人機(jī)在兩個(gè)移動(dòng)平臺(tái)之間實(shí)現(xiàn)自主定位抓取，運(yùn)送和碼放物資的作業(yè)。以任務(wù)完成精準(zhǔn)度和完成時(shí)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(duì)參加。最終，只有中科院沈陽自動(dòng)化研究所成功抓取全部物資并完成碼放作業(yè)，同時(shí)以總分第一名獲得冠軍。
圖6 國際無人飛行器大獎(jiǎng)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(jī)的控制研究，取得了一定的成果。中科院沈陽自動(dòng)化研究所韓建達(dá)等人設(shè)計(jì)了四旋翼懸掛負(fù)載系統(tǒng)的滑?？刂?驗(yàn)證了對負(fù)載擺動(dòng)和系統(tǒng)不確定性的強(qiáng)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(duì)針對四旋翼無人機(jī)吊掛飛行系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種新型控制策略，建立四旋翼無人機(jī)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(jī)重心位置的質(zhì)點(diǎn)，通過能量分析的方法設(shè)計(jì)了針對此系統(tǒng)的非線性控制器。經(jīng)仿真驗(yàn)證，可以在抑制吊掛負(fù)載擺動(dòng)的同時(shí)將四旋翼無人機(jī)移動(dòng)到目標(biāo)位置。華中科技大學(xué)杜沛力等人，針對無人機(jī)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(jī)運(yùn)動(dòng)特性與負(fù)載物擺動(dòng)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(jì)了二型模糊控制器對無人機(jī)空間位置及負(fù)載物擺動(dòng)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(jī)位移及抑制負(fù)載物擺動(dòng)的效果，驗(yàn)證了無人機(jī)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(jī)因其獨(dú)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(jī)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(jī)面臨的技術(shù)問題依然艱巨。尤其對于吊掛無人機(jī)來說，其自身復(fù)雜特殊的運(yùn)動(dòng)機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)來說也必然會(huì)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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