第12章 空中机器人

2020-03-01 211浏览

  • 1.机器人引论 第12章 空中机器人
  • 2.第12章 空中机器人 o 12.1 无人机的发展历程 o 12.2 无人机的分类 o 12.3 无人机的应用
  • 3.12.1 无人机的发展历程 p 无人机的概念最早是由著名的物理学家特斯拉（Tesla）在19 世纪末提出的。他想发明一种“可以通过远程遥控改变飞行 方向，或者按照操作员的意愿爆炸，并且不会出现错误”的 飞行器，但当时只被人视为天方夜谭。 p 美国发明家斯佩里（Sperry）发明了一架被称作“flying bomb”的无人飞行器，并于1916年9月12日试飞，被装上136 公斤炸药成功地进行了攻击目标试验，实现了特斯拉对无人 机的设想。 p 1918年，美国的凯特林（Kettering）又研制出一种无人机， 并取名为“Kettering Bug”。 p 1933 年1 月，英国政府成功研制了名为“Fairey Queen”无人 靶机，用于验校战列舰上的火炮对飞机的攻击效果。
  • 4.12.1 无人机的发展历程 o 美国海军飞机制造厂（Naval Aircraft Factory）在1941年生产了 一款名为“Project Fox”的无线电遥控攻击无人机。这款无人机 上安装了电视摄像头，它的控制端—TG-2载人飞机上安装了电 视屏幕，遥控人员可以看到无人机飞行的景象，使得遥控更加 准确。 o 二战结束后，随着航空技术的飞速发展，无人机的性能得到进 一步提升，同时一些具有新型功能的无人机也逐渐问世，例如 无人诱饵机、无人侦察机、专门用于探测核辐射强度的无人机 等等，无人机家族也逐渐步入其鼎盛时期。 o 时至今日，世界上研制生产的各类无人机已达近百种，并且还 有一些新型号正在研制之中。随着无人机技术的普及，无人机 也逐渐被应用到民用领域，为人们的生活提供了极大的便利。
  • 5.12.1 无人机的发展历程 “Kettering Bug” “flying bomb” “Larynx”
  • 6.12.1 无人机的发展历程 o 纵观无人机发展的历史，大致经历了以下五个阶段： 阶段 时间 用途及特征 一 1900s~1930s 主要用作空中鱼雷对目标进行轰炸，控制方式为陀螺仪、 气压计、自动驾驶仪等机载设备，不可回收 二 1930s~1960s 主要用作防空兵器性能鉴定和部队训练的靶标控制方式为 无线电遥控，可多次重复使用 三 1960s~1980s 除用作靶机外，大量用作无人侦察机和无人诱饵机 四 1980s~1990s 除了广泛用于战场监侦、电子对抗、目标指示、战果评估、 通信中继等军事用途外，还被用于大地测绘、资源探测、 空气采样、环保监视、交通管理等民用领域。此期间无人 机的飞行控制与飞行管理也有很大改进，实现了超视距控 制和半自主飞行 五 1990s~至今 无人机技术获得飞跃式发展，智能化和自主化程度大大提 高，多无人机协同合作也逐渐成为现实
  • 7.12.2 无人机的分类 12.2.1 按无人机应用领域分类 p 按照其应用领域分类可分为军用无人机和民用无人机： n 军用无人机包括靶机、无人侦察机、无人战斗机、无人诱饵 机、电子干扰无人机等。也可按任务的周期长短分为战术无 人机和战略无人机。战术无人机(TUAV)的主要功能为侦察、 搜索、目标截获、部队战役管理与战场目标和战斗损失的有 效评估等，任务的周期较短；战略无人机(SUAV)主要承担对 敌方部队动向的长期跟踪、工业情报及武器系统试验监视等 ，所执行的任务往往周期较长，具有长远的战略意义。 n 在民用方面，无人机已经被运用到通信中继、公共安全、应 急搜救、农业喷药、环保监测、交通管制、气象预测、影视 航拍等多个领域。
  • 8.12.2 无人机的分类 12.2.2 按无人机机翼布局样式分类 p 按照机翼的布局样式可分为传统固定翼式无人机、扑翼 式无人机和旋翼式无人机三种： （1）固定翼式无人机 固定翼式无人机的机翼主体是固定的，由动力装置产生推 力或拉力，由固定机翼产生升力。其中大部分无人机的外观跟 普通飞机的外观相似，在机身两侧中部和后部分别装有机翼和 尾翼，头部装有螺旋桨，也有一部分无人机因功能需要而具有 独特的外观。典型型号是在美国海军陆战队中被广泛使用的 “Dragon Eye”无人机以及“Black Widow”无人机。
  • 9.12.2 无人机的分类 n “Dragon Eye”属于固定翼式无人机，主要执行军事侦查任务，是 当前投入使用的最小的无人机，它能提供相当于营级指挥需要的 信息。每套“龙眼”系统包括3架无人机和1个地面控制站。无人 机由2名士兵发射后，会按照事先编好的GPS路径点飞行。一旦进 入目标区域，“龙眼”就会使用自身携带的传感器收集信息并将 图片传回到地面控制站。 • • • • • 机体重量：2.3kg 飞行高度：91~152m 翼展长度：1.1m 续航时间：30~60min 飞行速度：56km/h “Dragon Eye”无人机
  • 10.12.2 无人机的分类 n “Black Widow”，是AeroVironment公司为美国国防预先研究计划 局的原创微型无人机技术计划研制的第一种微型无人机。“Black Widow”头部装着螺旋桨，由电动机驱动，通过一对锂电池供电， 后面装有操纵面。“Black Widow”由肩扛式容器气动发射，容器内 装有控制板以及使操作员能够观察到来自摄像机图像的目镜。 • • • • • • • • • 飞翼重量：50g 最大尺寸：15cm 飞行距离：>1km 续航时间：1h 飞行高度：244m(800ft) 螺旋桨效率：82% 最大速度：64km/h 推进系统重量：110mg 飞行控制系统重量：2g “Black Widow”无人机
  • 11.12.2 无人机的分类 （2）扑翼式无人机 扑翼式无人机是以仿生学原理为基础，通过模仿飞行 生物（例如苍蝇、蝙蝠等）的外观而设计的无人机，这种 无人机在飞行时通过机翼的上下扑动产生升力和向前的推 进力，通过“翅膀”与尾翼的配合改变飞行航向，就像飞 行生物一样。由于扑翼产生的动力有限，因此这种无人机 多为微小型无人机。典型型号 “MicroBat”。
  • 12.12.2 无人机的分类 n “MicroBat”是由加利福尼亚理工学院和AeroVironment公司联合研 制的一种仿生物扑翼飞行器。其机翼由微电子机械系统(MEMS)技 术加工制作而成，振动频率20Hz，由无线电遥控方向舵、升降舵 以产生飞行推力，通过可反复充电的锂电池供电。“MicroBat”可 携带微型摄像机及其下行数据链路或声学传感器，在军事侦查、 目标指示等领域上有广泛的用途。 • 机体重量：14g • 翼展长度：23cm • 续航时间：22min45s “MicroBat”无人机
  • 13.12.2 无人机的分类 n 2011年4月，德国Festo公司研制的一款名为“SmartBird”的仿生扑 翼飞行器在德国汉诺威工业博览会上展出。外壳采用聚氨酯泡沫 和碳纤维材料构成，十分轻便，躯干内装设有充电电池、发动机 、变速箱、曲柄轴和电子控制器，两翼配有双向无线信号收发装 置，能对飞行进行即时调整。它的机翼由Compact 135 无刷电机驱 动，同时通过扭转伺服电机调整机翼的弯曲角度以获得所需的升 力。尾巴不仅能产生浮力，也能充当起落架和方向舵的角色，尾 部细微的左右摆动会带动纵向轴旋转，从而带动躯干和两翼改变 飞行方向。 • 机体重量：450g • 翼展长度：1.96公尺 • 续航时间：22min45s
  • 14.12.2 无人机的分类 （3）旋翼式无人机 旋翼式无人机的机翼安装在机身的上方，通过具有特 定气动外形的机翼高速旋转获得升力并改变位置和姿态， 类似于直升机。根据安装的机翼数量分为单旋翼无人机和 多旋翼无人机。四旋翼飞行器目前最为流行的是无人机。 顾名思义，这种飞行器具有四个旋翼，四个旋翼大小相同 ，位置分布对称，通过调整不同旋翼之间的相对速度来调 节不同位置的升力，并克服每个旋翼之间的反扭力矩，就 可以控制飞行器的姿态，完成各种机动飞行。
  • 15.12.2 无人机的分类 “Mesicopter” 大疆四旋翼无人机
  • 16.12.2 无人机的分类 12.2.3 按无人机的控制方式分类 （1）基站控制 基站控制式无人机也称为遥控无人机（Remotely Piloted Vehicle,RPV）。在无人机飞行的过程中，需要地面 基站的操作员持续不断地向被控无人机发出操作指令。从 本质上来看，基站控制式无人机就是结构复杂的无线电控 制飞行器。早期的无人机大都采用这种控制方式，由于无 线电控制技术在空间上的局限性，现代无人机已经很少采 用纯粹的基站控制方式来实现无人驾驶。
  • 17.12.2 无人机的分类 （2）半自主控制 20 世纪80、90 年代出现的“Pointer”、“Sky Owl”无人 机系统采用的是基站导航和预先设定导航程序相结合的控 制方式，这是无人机半自主控制的最早形式之一。半自主 的无人机控制方式可以描述为“基站可随时获得无人机的 控制权，并且在飞行过程中某些关键动作需由基站发出指 令，如起飞、着陆等，除了这些关键动作，无人机可以按 照事先的程序设定进行飞行和执行相关动作”。
  • 18.12.2 无人机的分类 （3）完全自主控制（智能控制） 完全自主控制无人机又称为智能无人机，可以在不需 要人工指令的帮助下完全自主地完成一个特定任务。一个 完整的智能无人机系统具备的能力包括自身状态的监控、 环境信息的收集、数据的分析及做出相应的响应。
  • 19.12.2 无人机的分类
  • 20.12.2 无人机的分类 我国学者综合国内外的研究，根据国内无人机行业及学术 研究的发展，提出一种自主控制的能力分级： 等级 特征 0 完全结构化的控制方案和策略，对自身和环境变化没有做出反 应的能力（自动控制） 1 能够适应对象和环境的不确定性，具有变参数、变结构的能力 2 具有故障实时诊断、隔离和根据故障情况进行系统重构的能力 3 能够根据变化的任务和态势进行决策和任务重规划的能力 4 具有与其他单体或系统进行交互、协同的能力 5 能够自学习，具有集群自组织协调的能力
  • 21.12.2 无人机的分类 12.2.4 按无人机的性能指标分类 （1）按机体重量分类 不同的无人机机体重量差别很大，按机体重量分为微型、轻型 、中型和重型和超重型五个等级： 类别 重量 典型型号 微型 <5kg “DragonEye”、“黑寡妇”、“MicroBat”、 “SmartBird”、“Mesicopter” 轻型 5~50kg Aerosky，RPO Midget，Luna，Dragon Drone 中型 50~200kg Raven，Dragon Warrior、Crecerelle 、Pioneer 重型 200~2000kg Hunter、X-50、A 160、Predator、Herron 超重型 >2000kg Darkstar、Predator B、Global Hawk、X-45
  • 22.12.2 无人机的分类 （2）按航程和续航时间划分 类别 最大飞行时间 最大航程 典型型号 近程 <5h <100km SilentEyes、FPASS (Desert Hawk)、Pointer、Dragon Eye 中程 5~24h 100~1500km Shadow、Sperwer、Fire Scout、 Crecerelle、LEWK、Silver Fox 远程 >24h >1500km A 160、Global Hawk、GNAT、 Herron
  • 23.12.2 无人机的分类 （3）按机翼载荷量划分 所谓机翼载荷量，是指机体重量与机翼面积的比值。由小到大 可分为以下三类： 类别 最大飞行时间 典型型号 低载荷 <50kg/m2 RPO Midget、Silver Fox、Pioneer、 Luna 中载荷 50~100kg/m2 Neptune、GNAT、Shadow、X-45 高载荷 >100kg/m2 LEWK、Sperwer、Hunter、Global Hawk
  • 24.12.2 无人机的分类 （4）按发动机类型划分 无人机使用的发动机主要有涡扇发动机（Turbofans） 、活塞发动机（Piston）、转子发动机（Rotary）、涡轮螺 旋桨发动机（Turboprop）、电动机（Electric）等。最常用 的发动机类型是电动机和活塞发动机。通常，微型和轻型 无人机使用电动机较多，大中型无人机和无人战斗机使用 活塞发动机较多。
  • 25.12.3 无人机的应用 12.3.1 无人机在军事领域的应用 无人机最初就是针对军事应用而设计的，随着无人机技术 的发展，无人机性能和功能日趋强大，在军事领域当中的应用 越来越广泛。 （1）靶机 靶机是指可以模拟各种飞机和导弹的飞行状态和攻击过程 的飞行器，主要是用来为各种导弹、战斗机、地面防空和雷达 设施的训练和测试提供靶标，以鉴定武器的性能和训练武器的 操作人员，也可用于研究空战和防空战术。
  • 26.12.3 无人机的应用 总参60所研制的S-400靶机 QF-16靶机
  • 27.12.3 无人机的应用 （2）无人侦察机 无人侦察机是指借助机上电子侦察设备，以获取目标信息为 目的的无人机。它主要是用于战略、战役和战术侦察以及战场 监视，为部队的作战行动提供情报，使战场指挥官及时掌握战 场情况，制定合适的作战计划，为取得战斗的胜利奠定基础。 美国“全球鹰”无人机 美国“蜂鸟”无人机
  • 28.12.3 无人机的应用 （3）无人战斗机 无人战斗机又被称作攻击无人机，是无人机技术与战斗机结合 所构成的一种全新的武器系统。 正在进行空中加油的“X-47B”无人机 美国“捕食者B”
  • 29.12.3 无人机的应用 （4）电子对抗无人机 电子对抗无人机按照功能可分为无人诱饵机、电子干扰无 人机和反辐射无人机。在战争中，战场信息十分重要，特别是 在当今时代，电子信息技术的发展使得军队的电子化程度大大 提高，以争夺电磁频谱控制权（制电磁权）为目的的电子信息 战已然成为战争中一种主要的作战形式，电子对抗技术的发展 具有重大的意义。因此电子对抗无人机在未来战争中会有广泛 的应用前景。
  • 30.12.3 无人机的应用 “BQM-74C”无人诱饵机 “MALD”小型空射诱饵干扰无人机 “ADM”无人诱饵机 “火蜂”无人干扰机
  • 31.12.3 无人机的应用 12.3.2 无人机在民用领域的应用 （1）农业喷药 无人机的出现使得喷药作业由传统的人工喷药和机械装备 喷药方式逐步向无人机高空喷洒作业方式转变。无人机喷药作 业相对于传统的喷药作业方式有很多优点：它的作业高度低， 飘移少，可空中悬停，无需专用起降机场，喷洒均匀，防治效 果好，远距离遥控操作，避免了喷洒作业人员暴露于农药的危 险，提高了喷洒作业安全性。同时，节省药量和水量，作业效 率高，在很大程度上降低了农业生产成本，提高了生产效率。
  • 32.12.3 无人机的应用 我国系统研究微小型无人机航空施药喷雾技术开始于2008 年， 针对单旋翼无人机低空低量施药技术进行研究，由国家863 计划 项目资助，目前已经产生了一批具备自主研发能力的单位和自 主研发的产品和成果。 工作中的喷药无人机
  • 33.12.3 无人机的应用 （2）航拍 航拍是指以无人机作为空中平台，通过机载遥感设备，例 如数码相机、红外扫描仪、磁测仪等，获取周边信息，通过计 算机处理合成图像或视频，是无人机另一大主要民用领域。 正在进行航拍的无人机
  • 34.12.3 无人机的应用 （3）灾害救援 p 建立通信中继：当灾害发生导致受灾地区通信设施受到破坏 时，可以在无人机安装无线电通信设备，建立临时通信中继 。由于无人机机动灵活，成本较低，安装通信设备工序也并 不复杂，因此可以迅速地构建应急无线局域通信网，实现灾 区与救灾中心的有效联系，从而为救灾的顺利开展赢得宝贵 的时间。 p 采集灾区信息：当自然灾害发生后，在第一时间取得灾区的 受灾信息非常重要。当救援人员无法进入受灾地区时，可以 在无人机上配备多媒体采集系统，采集灾区的视频、音频数 据，进行编码压缩并传回指挥中心。
  • 35.12.3 无人机的应用 汶川地震后无人机拍摄的北川灾区图像
  • 36.12.3 无人机的应用 （4）环境监测 由于无人机是在低空飞行，使用无人机进行环境监测可以 很好地弥补人工调查和卫星遥感拍摄两种方法的不足。进行环 境监测时，可以在无人机上搭载摄像头或者可感知自然环境的 传感器，使其进入特定的环境中进行拍摄与感知。一方面，低 空拍摄的环境影像分辨率更高，更加精确，另一方面，由于无 人机自身也处于目标区域中，因此通过搭载的特定传感器可以 感知通过图像无法感知的环境参数，比如气压高度、大气温度 和湿度、真空速度等。
  • 37.12.4 当前无人机领域的研究热点 o 1、无人机非线性控制技术研究 从控制理论角度讲，无人机是一个多变量、强耦合的非线 性控制对象。目前多数的无人机控制系统采用的仍然是线性系 统控制方法。近年来，随着人们对无人机的需求越来越大，应 用场合越来越广，对其稳定性、快速性和抗干扰性的要求不断 提高，采用传统的线性控制器的无人机很难满足人类的需要。 而非线性控制技术直接针对无人机的非线性模型进行控制，充 分考虑对象的非线性特性，无需作局部线性近似，在很大的工 作范围内都具有很好的控制效果。目前已经取得的成果有：非 线性动态逆控制方法、鲁棒伺服LQP控制、自抗扰技术、分数阶 PID控制、Backstepping控制以及基于神经网络的模型参考自适应 方法等等。
  • 38.12.4 当前无人机领域的研究热点 o 2、多无人机任务规划技术研究 多无人机系统的设计比单无人机系统的设计要复杂的多， 因为不仅要考虑每一个无人机本身的系统控制和功能实现，还 要考虑各个无人机之间的相互协作和配合。如何利用有限的信 息和资源，综合多种约束条件，对多无人机系统进行更为合理 的任务规划，使各个无人机之间既不产生冲突，又能够相互配 合，互补不足，更好地完成复杂的多约束任务，满足多机协同 的应用需求，成为了当前无人机技术的研究热点之一。
  • 39.12.4 当前无人机领域的研究热点 o 3、无人机自主飞行（智能化）技术研究 在2009 年之前，无人机领域的研究成果还是以半自主的控 制方式为主，虽然能够在很多领域得到应用，但是在使用过程 中还是需要人的参与。此后，研究人员们逐渐将研究的重点转 移到对智能无人机的研究上来。智能无人机是一个复杂的集成 系统，需要飞行器设计、空间定位、路径规划、飞行控制、图 像识别等各方面技术的支持。为了充分利用这些技术，研究者 们通常会将各个功能模块化，通过合理的架构设计将其整合， 达到无人机智能化的目的。实现无人机的自主飞行，主要是要 解决无人机的自主定位、自主路径规划和自主避障问题，计算 机视觉技术的发展为其提供了可能。