【读书笔记】无人机控制（1）

该系列笔记基于 Kenzo NONAMI, Wei WANG, et al. Autonomous Flying Robots: Unmanned Aerial Vehicles and Micro Aerial Vehicles[M]. Tokyo: Springer, 2010.

为什么考虑无人机？

在复杂和危险环境中，无人机在空中监视、侦察和检查时具有重大优势。low downside risk 和 higher confidence in mission success 是扩展无人机使用场景的两个强大动力。此外，许多其他技术、经济和政治因素鼓励了无人机的开发和运营。

1. 技术进步提供了巨大的杠杆作用。最新的传感器、微处理器和推进系统比以往任何时候都更小、更轻、功能更强大，带来了超越人类能力的耐久性、效率和经济性。
2. 其次，无人机已经成功地用于战场，并成功地部署在许多任务中。这些因素导致了更多的资金和大量的生产订单。
3. 无人机可以在危险和受污染的环境中运行，也可以在载人系统无法进入的其他环境中运行，例如比载人飞机通常穿越的高度更低和更高的高度。

适用于无人机的专有技术主要包括

• Navigation sensors and microprocessors：目前，传感器是无人机中成本最高的项目之一，是导航和完成任务所必需的。处理器允许无人机在几乎不需要人工干预的情况下自主飞行整个任务。
• Communication systems (data link)：通信技术的主要问题是带宽、频率和信息/数据流的灵活性、适应性、安全性和认知可控性。
• Ground Station Command, Control, and Communications (C3)：C3 基础设施的几个关键方面，如人机界面、多机 C3、目标识别、缩小地面设备规模、语音控制等，上述所有领域的先进技术将允许一个人控制多架飞机。
• Aircraft onboard intelligence (guidance, navigation, and control)：可以“打包”到无人机中的情报直接与无人机能够处理的任务的复杂程度有关，而与人工操作员所需的监督程度相反。

无人机的定义

• The AIAA defines a UAV as “an aircraft which is designed or modified, not to carry a human pilot and is operated through electronic input initiated by the flight controller or by an onboard autonomous flight management control system that does not require flight controller intervention.”

无人机的分类

第一类，根据无人机的特性（空气动力学配置、尺寸等）对其进行分类，通常分为以下四类：

• 固定翼无人机 (Fixed-wing UAVs)，指需要跑道起飞和降落或弹射器发射的无人机（带机翼）。这些飞机通常具有较长的续航时间，并能以较高的巡航速度飞行。

• 旋转翼无人机 (Rotary-wing UAVs)，也称为旋翼机无人机或垂直起降 (VTOL) 无人机，具有悬停能力和高机动能力的优点。这些能力对于许多机器人任务非常有用。旋翼机无人机可能具有不同的配置，包括主旋翼和尾桨（常规直升机）、同轴旋翼、串联旋翼、多旋翼等。

  • Blimps：气球和飞艇等比空气轻、续航时间长的小飞艇以低速飞行，通常尺寸较大。
  • 扑翼无人机 (Flapping-wing UAVs)，以鸟类和飞虫为灵感，具有灵活和/或变形的小翅膀。

另一个标准是尺寸和耐久性。

• 高空长航时 (HALE) 无人机，例如 Northrop-Grumman Ryan 的 Global Hawks（高度 65 000 英尺，飞行时间 35 小时，有效载荷 1 900 磅）。
• 中等高度长航时 (MALE) 无人机，例如通用General

Atomics 的 Predator（海拔 27 000 英尺，飞行时间 30/40 小时，有效载荷 450 磅）。

• 战术无人机，如 Hunter、Shadow 200 和 Pioneer（高度15 000英尺，飞行时间 5 - 6 小时，有效载荷25千克）。
• 小型和微型便携式无人机，如 Pointer/Raven (AeroVironment), Javelin (BAI), 以及 Black Pack Mini (Mission Technologies).
• 微型飞行器 (MAV)：在过去几年中，尺寸小于 15 厘米的微型飞行器受到了广泛关注。其中包括 AeroVironment 生产的 Black Widow、BAE 的 MicroStar，以及多所大学提出的许多新设计和概念。

应用及研究前景

应用包括不限于以下几点，

• 地形、管道、公用设施、建筑物等检查。

• 执法和安全应用

  • 监视沿海边界、道路交通等。
  • 灾害和危机管理、搜索和救援。
  • 环境监测。
  • 农业和林业。
  • 消防。
  • 通信中继和遥感。
  • 航空制图和气象学。

用于提高检查和监视工作效率、数据中继、空中加油等的重要课题。

1. 编队飞行控制：作为未来研究任务的非商业用途，根据具体情况，精度为几厘米。
2. 无人机到微型飞行器的集成分层控制：能够同时驾驶各种级别的飞机。
3. 例如，从大型无人机到小型微型飞行器，可以通过同时控制多个飞行器来执行高精度任务。
4. 超高空飞行：由于无人机不载人，因此也可以飞入平流层等。
5. 因此，也可以实现适合科学观察任务的长时间飞行。
6. 高精度轨道飞行：这是未来需要的技术。
7. 全天候航班。
8. 用于防止撞击的雷达有效载荷等。
9. 智能飞行系统和运行管理。
10. 先进的可靠性等。