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浅析无人机的自主与智能控制
来源:尖兵之翼 | 作者:范彦铭 | 发布时间: 2022-06-06 | 5527 次浏览 | 分享到:
合理规划了自主智能控制的等级,提出了无人机自主智能 控制实现的工程方法与方案,构建了自主智能控制系统工程实现的架构……

摘要:分析研究了无人机的本质与内涵,系统阐述了无人机自主与智能控制的内涵与本质以及二者的关系,提出了无人机自主控制的设计理念和工程实施要素,合理规划了自主智能控制的等级,提出了无人机自主智能 控制实现的工程方法与方案,构建了自主智能控制系统工程实现的架构。

1 引言

从古老的传说或寓言故事中可知,人类自诞生起,就梦想着能够像鸟一样飞行,人类通过一代一代幻想、努力、前赴后继地探索如何能够自由地在天空中飞翔,人类尝试了多种方法,如: 使用风筝、早期的火箭、飞车、热气球以及滑翔机,但都没能实现自由飞行。到了1903年,莱特兄弟用自己设计的“飞行机器—飞机”完成了人类第一次动力载人飞行,实现了人类在空中飞行的梦想。在人类梦想在天空中飞翔的同时,人们也开始设想人不在飞机上,在地面上控制 飞机的飞行,这就产生了无人机的概念,1916年美国的斯佩里(Sperry)和劳伦斯(Lawrence)进行了首次无人机飞行,自此开启了人类对无人机的研究先河, 经过第一次世界大战和第二次世界大战,特别是经过冷战时期,无人机得到了长足的发展;无人机经过100年的发展,形成了庞大的家族体系,分支众多,可以从机身结构、体积重量、飞行高度、航程、航时、用途等多个维度对其进行分类,如从机身结构特征进行分类, 可分为无人直升机、无人固定翼飞机、无人多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机和扑翼无人机等;从体积重量特性来分类,可分为大型无人机、中型无人机、小型无人机和微型无人机;按用途可分为军用无人机(情报、侦察、监视、诱饵、电子对抗、通信中继、靶机和无人战斗机等)、民用无人机(如警用、消防、气象)和消费级无人机(航拍、游戏等休闲用途);还可分为高空无人机、长航时无人机、远程无人机、高空长航时无人机等。

世界上任何事物的发展都是与时俱进的,其实质内涵与外表特征都在不断地演变进化,无人机也是如此,对无人机的定义与内涵也需不断地动态完善,无 人机从简单的人遥控飞机飞行时代发展到现在的无人机自动(自主)飞行阶段,也应适应技术的发展和人们认识的提高而有较明确的定义,否则对无人机技术的发展不利,甚至阻碍无人机技术的发展。本文就无人机的发展变迁进行了研究分析,归纳 了无人机的内涵和定义及其发展,阐述了无人机控制的内涵,探讨了自主与智能二者之间的相互关系,给出了自主智能控制设计理念和工程要素,提出了无人机自主智能控制实现方法与方案。

2、无人机的定义与内涵

1916年9月12日, 美国的斯佩里(Sperry)和劳伦斯 (Lawrence)的“休伊特-斯佩里自动飞机(Hewitt-Sperry AutomaticAirplane)”完成人类第一次有动力无人飞行,人类便开启了无人机研究的新纪元,人们在最初定义无人机时,采用的是最直观的物理概念,只考虑了飞行员与飞机的物理位置关系,即:飞机上没有飞行员的飞机则称为无人机,起初在英语中用pilotlessaircraft表达,这也是无人机最基本的内涵。

随着无线电遥控技术的发展,航空工程师使用了无线电在地面遥控无人机的飞行,这就出现了遥控飞行器(Remotely Piloted Aerial Vehicle, RPAV)和遥控飞 行系统(Remotely Piloted Aircraft System, RPAS)术语,在此期间也有人使用UninhabitedAerialVehicle作为无人机的名称术语。

Unmanned Aircraft System (UAS)在《无人机路 线图2005~2030》被美国国防部和FAA所采用[1],并给出了定义:指不载有操作人员、利用空气动力提供升力、可以自主飞行或遥控驾驶、可以一次使用也可回收使用、携带致命或非致命有效载荷的有动力飞行器。此定义明确了无人机的最基本内涵:1) 飞机上无驾驶人员;2) 能完成一定的使命任务;3) 能够重复使用。

依据上面的定义,弹道或半弹道飞行器、巡航导弹和炮弹不能看作是无人飞行器,原因是导弹不能回 收;目前遥控航空模型飞机是否属于无人机仍有疑义和争论,未有定论,主要原因是现代航空模型飞机也采用了先进的控制技术,其功用也在变化,从司法层面和飞行管理层面上无法明确鉴定。笔者认为:如果只是在视距内进行表演娱乐活动, 遥控航空模型飞机可认为不属于无人机,

无人机发展到现在,在技术上使用Unmanned Aerial Vehicle (UAV)来代表无人机,而在民间中,则经常使用drone(老式军用无人机发动机有规则的噪声与公蜂的蜂鸣相似的原因)来代表无人机[1,2]。

无人机的两种形式表达:unmannedaerialvehicle和uninhabitedaerialvehicle仔细探究其含义是有区别的,unmanned从字面上有两个含义: 其一是直接的含义,无人的,飞机上无人;其二是无人操纵的;而uninhabited只有飞机上无人的含义。从unmanned字面上讲,无人 机应同时具备两个含义, 即: 人不在飞机上并且人不操控飞机, 飞机能够“正常”飞行,也就是说无人机从起飞准备-滑行-起飞-空中飞行-返场着陆-退出关停的全过程(图1)都可不需要人介入。因此,用“unmanned aerialvehicle”来定义无人机是最合适的,更能体现“真” 无人机的内涵。无人作战飞机(UCAV)的英文表达应为: unmanned combat aerial vehicle。