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固定翼无人机撞网回收技术飞行控制系统的研究

作者：林朝辉吴冰莹王效日期：2015-11-13 10:01 来源：未知

0 引言无人机在现代航空领域里重要性与日俱增，但如何高效率和精准的进行无人机的回收一直令人棘手，撞网回收是一种能够实现精准定点回收的无人机回收技术，这应该得益于撞网回收技术先进的飞行控制系统，大大增加了无人机回收过程的定位精度。
1 固定翼无人机撞网回收技术的发展
1.1 无人机回收技术的概述
无人机回收技术是伴随着无人机几乎同步出现的，自上世纪六十年代无人机回收技术就开始萌芽和发展，无人机回收技术最主要的核心技术包括三个层面：第一就是准确度极高的无人机回收导航系统；第二个就是先进的、精准度极高的飞行控制系统；第三个就是可靠安全的能量回收系统也就是无人机缓冲系统。围绕这三个核心技术层面，无人机回收技术涉及到了电子技术、信号处理、材料技术等多门现代学科的知识。
1.2 无人机撞网回收技术的发展无人机撞网回收技术是无人机回收技术起步较晚的一种回收技术，一般比较适合固定翼特别是小型的固定翼无人机回收，而且在回收场地面积比较小或者场地狭窄以及舰船上使用该项回收技术。无人机撞网回收系统一般由拦阻网的装置、无人机缓冲装置以及无人机末端的引导装置三部分构成撞网回收的难点也即其核心技术，关键在于如何能够引到高速状态下的无人机准确无误地撞向阻拦网装置，并且在无人机撞网后如何有效安全地吸收能量而不对无人机产生伤害或者影响无人机的二次使用。由于无人机主要是自动飞行，因此包括给累飞行参数传感器的导航系统以及自动驾驶仪成为其飞行的主要依靠，而且在回收过程中，也必须依靠精准无误的导航系统为地面提供飞机的速度、姿态和位置等各种飞行信息，之后在辅以电子计算机来控制无人机的下滑回收。由此可见撞网回收技术中飞行控制系统的重要性是不言而喻的，下文将具体介绍回收技术的飞行控制系统。
2 回收技术中飞行控制系统的研究现状及应用
要想实现无人机安全、平稳、准确的飞向回收点尤其是在狭窄的回收地点，就必须依赖于精准的回收导航系统也就是飞行控制系统。回收导航系统主要分为四种类型：雷达导航、GPS导航和遥测设备导航国外对飞行控制系统的研究相对较早，美国的 Smith 和 George 等人从自适应控制和鲁棒控制理论对舰载飞机的自动着舰进行了研究，分析了无人机着陆时的干扰因素，同时他们还运用PID控制对无人机的数控系统进行了改善；David则从PID最优控制和最优控制分析了无人机自动着陆控制系统中的约束问题；Josseph等人在多重模糊控制理论的框架下设计了无人机自动着陆系统并进行了仿真，他们设计的MIMO复杂非线性控制明显降低了单模糊控制中容易出现的抖动以及震荡问题。
我国国内关于回收过程中的飞行控制系统主要分为两种：一种是无人机飞行控制的模糊控制，这种控制模式虽然对无人机的飞行速度有良好的控制效果，但是这必须建立在飞行专家对飞行参数输入量与输出量之间关系有大概认知的前提下；另一种则是对无人机实际的飞行状态进行大量的分析，经过归纳总结出无人机的飞行控制规律，然后辅之以现代经典的控制理论来进行飞行控制系统的设计，例如罗峰采用了PID控制设计了无人机自动着陆控制系统，张明廉则运用PD控制研究了无人机着舰的自动控制问题。
3 撞网回收中飞行控制系统分析
前文已经分析，飞行控制系统设计到诸多学科知识，设计异常复杂，而在无人机撞网回收技术中最主要的飞行控制技术就是无人机末端精确引导技术，因此本文将着重对其分析。
3.1 工作原理分析
无人机撞网回收的过程就是无人机安全准确的下滑到撞网点的过程，我国无人机末端引导设备主要是采用电视跟踪作为末端引导的测量传感设备。其工作原理大致如下：一旦无人机进入回收程序，其末端的电视跟踪系统就会启动开始跟踪，运用激光测距系统、CGD成像系统和跟踪系统，通过前端的引导技术以及地面的手动跟踪配合，将无人机的斜距、方位和俯仰角度等信息传入系统中进行处理，最终使无人机出现在电视的图像之中。然后，地面控制和指挥人员在电视跟踪系统与无人机当前航行轨迹之间进行测量，测定其与预定航迹的偏差，运用无线电遥控组成闭环控制系统来达到控制飞机的目的，最终使无人机准确撞向预订点。
3.2 功能分析
固定翼无人机的撞网回收技术使用末端精确引导技术主要有以下优点：第一点就是在精确的末端引导技术中，地面工作人员可以对无人机进行大范围的搜索，精确的定位和全方位追踪，在空中与地面的信息反馈与回应的过程中形成对无人机的控制规律；第二点则是基于电视跟踪的高精度引导技术并不需要地面的工作人员在无人机上进行设备安装，所有的测量设备均在地面或者舰船上，这样就大大减轻了无人机的负重，更有利于无人机执行任务。
3.3 撞网回收中飞行控制系统的未来展望
无人机末端精准引导仍然是撞网回收技术的最大瓶颈，其首要面临的挑战就是无法适应舰载平台回收的需要。从撞网回收技术发展的前景来看，其最主要的应用应该是舰载无人机的回收领域。而与国外要求最低的7-15m/s横摇5°、纵摇25-3°、偏转2°以及升沉2m的三级海情回收标准相比，我国军舰能提供的一般舰载回收平台尺寸规模在300m2左右（长宽分别为20m和15m），因此相比陆地无人机撞网回收，舰载平台无人机撞网回收的精度更严格，风险也要高很多。其次，系统动力学仿真以及实验验证。飞行控制系统设计到完善是一个渐进的过程，从理论到实践的过程，而飞行控制系统又是一种瞬态动力学的过程，要解决这种矛盾就必须借助动力学仿真以及仅能够对飞行系统中的关键器件如网体、涡轮阻尼装置的缓冲性能进行研究，降低了人力物力和财力的消耗。而且还能对一些无法通过模拟实验达到的实验条件如边界入网工况进行模拟，并对模拟后的数据情况进行再设计以及修改和评估。
【参考文献】
[1]蔡长军.无人机驾驶飞机的发展趋势 [J]. 飞航导弹，1998.
[2]裴锦华.无人机撞网回收的技术发展[J].南京航空航天大学学报，2009.
[3]段镇.无人机飞行控制系统若干关键技术研究[D].中国科学院大学，2014.
[4]祝小平，等.无人机设计手册[M].国防工业出版社，2007.