國(guó)內(nèi)外無(wú)人機(jī)技術(shù)" title="無(wú)人機(jī)技術(shù)" target="_blank">無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

　　1、國(guó)外無(wú)人機(jī)發(fā)展歷史與現(xiàn)狀

　　在國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)大放異彩的同時(shí)，較國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)起步更早的國(guó)外無(wú)人機(jī)企業(yè)，更加值得我們關(guān)注和研究。

　　法國(guó)：比大疆成立早12年的Parrot公司是一家總部位于法國(guó)巴黎的無(wú)人機(jī)及無(wú)線產(chǎn)品制造商。派諾特設(shè)計(jì)、研發(fā)和銷售與智能手機(jī)和平板電腦相關(guān)的高科技應(yīng)用產(chǎn)品，并提供汽車制造和城市無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的高科技解決方案。所以我們也就不難理解，為何我們可以在蘋(píng)果在線商城里看到Parrot無(wú)人機(jī)的身影。

　　美國(guó)：作為北美最大的消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)廠商，3D Robotics公司主要致力于制造開(kāi)源無(wú)人駕駛飛行器（UAV），目前其全球客戶數(shù)量超過(guò)3萬(wàn)。3D Robotics早期主要銷售組裝無(wú)人機(jī)的成套組件。現(xiàn)在，該公司有從入門(mén)級(jí)到商用級(jí)的多種型號(hào)無(wú)人機(jī)產(chǎn)品，搭載了航拍、視頻拍攝、測(cè)繪、3D建模等多種功能，有些無(wú)人機(jī)還支持預(yù)先規(guī)劃航線或針對(duì)特定人物的追蹤跟拍。

　　2、國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

　　近年來(lái)，以深圳大疆創(chuàng)新科技有限公司為首的無(wú)人機(jī)企業(yè)在世界范圍內(nèi)的行業(yè)地位越來(lái)越高，從而也帶動(dòng)了一批杰出的科技創(chuàng)新型企業(yè)也躋身于無(wú)人機(jī)的研發(fā)當(dāng)中。

　　大疆是一家總部位于中國(guó)深圳的無(wú)人機(jī)制造廠商，成立于2006年。該公司生產(chǎn)的DJI無(wú)人機(jī)被廣泛運(yùn)用于航拍，并且很受專業(yè)及業(yè)余級(jí)攝影師們的青睞。其產(chǎn)品線涵蓋中端價(jià)位的Phantom以及高端市場(chǎng)絕對(duì)王者的Inspire系列。endprint

　　一架無(wú)人機(jī)系統(tǒng)由地面站、飛機(jī)、鏈路三個(gè)核心部分組成。無(wú)人機(jī)地面站是整個(gè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的指揮控制中心，專門(mén)用于對(duì)無(wú)人機(jī)的地面控制和管理。飛機(jī)是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的主體，而它的核心組件是其飛行控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱飛控），它是飛行器穩(wěn)定飛行的保證。鏈路主要負(fù)責(zé)飛機(jī)與地面站之間的通訊，通過(guò)多種通信方式將飛機(jī)上的飛行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛嬲荆⒖梢詫⒌孛嬲景l(fā)出的控制信號(hào)傳給飛機(jī)，從而使得無(wú)人機(jī)按照既定的指令飛行。

　　無(wú)人機(jī)技術(shù)目前研究現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)分析

　　我國(guó)無(wú)人機(jī)發(fā)展存在的問(wèn)題及技術(shù)弱點(diǎn)

　　1）行業(yè)規(guī)劃與規(guī)范問(wèn)題。存在低水平重復(fù)、重復(fù)投資、高端項(xiàng)目攻破困難。

　　2）發(fā)動(dòng)機(jī)瓶頸問(wèn)題。發(fā)動(dòng)機(jī)的問(wèn)題很大程度上制約著我國(guó)無(wú)人機(jī)的發(fā)展，一方面是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)也提出了特殊的要求的無(wú)人機(jī)特定的高空低雷諾、大過(guò)載等飛行條件；另一方面研制基礎(chǔ)本身較為薄弱。渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)是未來(lái)應(yīng)用的主要走向與國(guó)外的差距較為明顯，達(dá)不到無(wú)人機(jī)對(duì)飛行速度、航時(shí)等指標(biāo)的要求。

　　3）無(wú)人機(jī)行業(yè)人才緊缺。據(jù)初步判斷，我國(guó)在2018年需要無(wú)人機(jī)從業(yè)人員達(dá)40萬(wàn)人次，截至2016年10月，國(guó)內(nèi)持證從業(yè)的飛手、維修、研發(fā)等人員卻不到10 000人。

　　我國(guó)無(wú)人機(jī)發(fā)展存在的技術(shù)弱點(diǎn)是借鑒外國(guó)現(xiàn)有的技術(shù)并自主研發(fā)，其技術(shù)層次達(dá)不到強(qiáng)國(guó)水準(zhǔn)，不管軍用或民用的在精準(zhǔn)度、控制力、信息傳輸、機(jī)動(dòng)性等許多能力上都較為薄弱。

　　無(wú)人機(jī)研究的關(guān)鍵技術(shù)

　　1、飛行控制技術(shù)

　　1.1反饋線性化

　　相關(guān)仿真研究和實(shí)踐表明，反饋線性化的優(yōu)點(diǎn)包括：（1）在整個(gè)周期內(nèi)，其設(shè)計(jì)具有很大的靈活性，能夠適應(yīng)飛機(jī)模型的變化；（2）能夠滿足大迎角、超機(jī)動(dòng)等非常規(guī)控制要求；（3）增益預(yù)置不要求在飛機(jī)的飛行包線內(nèi)確保飛控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　反饋線性化方法的主要限制是：反饋線性化要求高度精確的建立飛機(jī)非線性力和力矩模型，對(duì)建模誤差敏感，且不能處理動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的未知變化及擾動(dòng)。因此需要配合其他控制方法，提升控制系統(tǒng)的魯棒性。

　　1.2反步控制

　　反步控制（Backstepping）是在20世紀(jì)80年代末期，由前南斯拉夫科學(xué)家Kokotovic發(fā)展起來(lái)的一種非線性控制方法。該方法對(duì)級(jí)聯(lián)線性/非線性系統(tǒng)，通過(guò)一步步選取適當(dāng)?shù)目刂芁yapunov函數(shù)，逐步構(gòu)造輔助控制輸入的同時(shí)補(bǔ)償不確定性的影響，最終得到穩(wěn)定的控制律。

　　反步控制有兩個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：一是在控制器設(shè)計(jì)過(guò)程中可以處理一大類非線性、不確定性的影響，而且穩(wěn)定性及誤差的收斂性已經(jīng)得到證明；二是采用該方法設(shè)計(jì)的控制器收斂速度很快，在損傷或者故障狀態(tài)下這種方法非常有效。

　　這種方法的主要不足之處在于控制系統(tǒng)的魯棒性以及動(dòng)作器的速率和位置飽和問(wèn)題?？梢岳迷黾幼赃m應(yīng)控制等方法加以補(bǔ)償解決。

　　1.3滑模變結(jié)構(gòu)控制

　　滑模變結(jié)構(gòu)控制方法是前蘇聯(lián)學(xué)者Emelyanov提出的，滑模變結(jié)構(gòu)控制的基本思想是：首先將從任一點(diǎn)出發(fā)的狀態(tài)軌線通過(guò)控制作用拉到某一指定的直線，然后沿著直線滑動(dòng)到原點(diǎn)。滑模變結(jié)構(gòu)控制在無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有兩種設(shè)計(jì)方案：一種是直接方式，即直接應(yīng)用非線性系統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制。另一種是間接方式，首先將無(wú)人機(jī)非線性模型反饋線性化，然后再利用線性系統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制進(jìn)行控制系統(tǒng)綜合。

　　滑模變結(jié)構(gòu)具有快速響應(yīng)，對(duì)系統(tǒng)模型的不確定性和外部擾動(dòng)是魯棒的和不敏感的、物理實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)在于當(dāng)狀態(tài)軌跡到達(dá)滑模面后，難以嚴(yán)格的沿著滑模面向著平衡點(diǎn)滑動(dòng)，而是在滑模面兩側(cè)來(lái)回穿越，從而導(dǎo)致抖振現(xiàn)象。

　　1.4智能PID控制

　?。?）基于專家系統(tǒng)的PID控制器。專家控制的實(shí)質(zhì)是基于受控對(duì)象和控制規(guī)律的各種知識(shí)，并以智能的方式利用這些知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)控制器，使得受控系統(tǒng)盡可能的優(yōu)化和實(shí)用化。專家知識(shí)的獲取和經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)在專家PID控制中占重要的地位，它的知識(shí)全面性和推理智能度對(duì)系統(tǒng)的控制效果有很大影響，也成為控制器設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。

　　（2）基于模糊控制的PID控制器。模糊控制不需要獲知系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，是以操作人員的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，根據(jù)操作者經(jīng)驗(yàn)的語(yǔ)言表達(dá)來(lái)確定各個(gè)參數(shù)和控制規(guī)律，然后在實(shí)際系統(tǒng)中進(jìn)行調(diào)整和整定。模糊控制具有調(diào)節(jié)速度快，魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)，但穩(wěn)態(tài)精度差。將模糊控制和PID控制兩者加以結(jié)合，揚(yáng)長(zhǎng)避短，既具有模糊控制靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，又具有PID控制精度高的優(yōu)點(diǎn)。

　　（3）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PIC控制器。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為當(dāng)今新興的控制技術(shù)，可以充分逼近任意復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，可以自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)復(fù)雜的不確定系統(tǒng)，有很強(qiáng)的魯棒性和容錯(cuò)性。但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也有自身的弱點(diǎn)，響應(yīng)速度慢、訓(xùn)練和學(xué)習(xí)時(shí)間很長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)差以及需要大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)等。因此將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器實(shí)際上是一個(gè)前饋控制器，它建立的是被控對(duì)象的逆向模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器通過(guò)想傳統(tǒng)控制器的輸出進(jìn)行學(xué)習(xí)，在線調(diào)整自己，目標(biāo)是使反饋的誤差趨近于零，從而使自己逐漸在控制作用中占據(jù)主導(dǎo)地位，以便最終取消反饋控制器的作用。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)干擾，PID控制器會(huì)馬上重新介入。不但保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性，而且可以有效的提高系統(tǒng)的精度和自適應(yīng)能力。

　　2、隱身技術(shù)

　　無(wú)人機(jī)提高飲食性能的方法有以下幾種：

　?。?）機(jī)身表面材料的改進(jìn)。通常，無(wú)人機(jī)機(jī)體表面可以采用降低反射雷達(dá)信號(hào)波能量的復(fù)合材料構(gòu)造，并覆蓋雷達(dá)波吸收材料；

　　（2）機(jī)體外形設(shè)計(jì)。盡量采用減小電磁波反射的機(jī)身構(gòu)造，即在機(jī)身的連接處進(jìn)行光滑處理，避免形成角度增強(qiáng)反射，并在凹口出采用相應(yīng)的隱身措施；

　?。?）機(jī)體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。外機(jī)頭采用碟式圓弧平面外形，形成了多方向散射。

　　3、通信技術(shù)

　　寬帶、大數(shù)據(jù)流量的數(shù)據(jù)鏈技術(shù)可以使無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)距、快速地傳輸信息，實(shí)施超視距控制，是發(fā)展無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。如果在遠(yuǎn)距或敵人干擾的情況下不能實(shí)施通信或不能可靠工作，信息無(wú)法發(fā)給指揮控制中心，指令也無(wú)法發(fā)給正在作戰(zhàn)的無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)，人就無(wú)法在其中發(fā)揮作用，無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)將失去其優(yōu)勢(shì)。目前，無(wú)人機(jī)主要采用Ku/Ka波段、C/X波段和L波段進(jìn)行通信。

　　4、動(dòng)力技術(shù)

　　無(wú)人機(jī)一般要求長(zhǎng)航程，因此，必須采用高效率的動(dòng)力技術(shù)。此外還可以開(kāi)發(fā)新的輕型高效燃料，如高效的航空煤油和使用太陽(yáng)能做動(dòng)力等。采用新的能夠與機(jī)體氣動(dòng)布局相配合的推力矢量和分裂式副翼進(jìn)行飛行控制；還有一種使用射流多軸推力矢量技術(shù)，即通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)噴口處的噴氣方向進(jìn)行飛行姿態(tài)和方向的控制，這種技術(shù)免去了以往機(jī)械式推力矢量裝置的傳動(dòng)部件，不僅可以使固定噴嘴更輕，在外形上還能降低雷達(dá)截面，并能快速降低噴口溫度以減弱紅外信號(hào)

　　5、發(fā)射、回收技術(shù)

　　無(wú)人機(jī)的發(fā)射系統(tǒng)按其發(fā)射點(diǎn)位置來(lái)區(qū)分，主要包括陸上發(fā)射、水上發(fā)射和空中發(fā)射。陸上發(fā)射又可分為發(fā)射架發(fā)射、起落架起飛、滑跑車起飛和垂直起飛等；空中發(fā)射主要是指母機(jī)投放，以提高無(wú)人機(jī)的使用壽命，增大航程，降低損失率，但對(duì)母機(jī)設(shè)計(jì)要求較高，同時(shí)應(yīng)用的環(huán)境比較受限制?；厥障到y(tǒng)按回收點(diǎn)可分為陸上回收、水上回收和空中回收；按回收方式可以分為自主降落回收和遙控降落回收；按回收系統(tǒng)可分為傘降回收、拉網(wǎng)回收、跑到著陸回收等多種。其中，自主降落方式要求在飛控系統(tǒng)中加入返航、降落、定位等程序，設(shè)計(jì)復(fù)雜但操作運(yùn)用簡(jiǎn)單，應(yīng)用較廣泛。

　　無(wú)人機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

　　綜觀世界各國(guó)無(wú)人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，其發(fā)展方向可概括為如下幾點(diǎn)。

　　1、多功能、模塊化

　　高技術(shù)的迅速發(fā)展使模塊化、通用化、系列化成為可能，今后的無(wú)人機(jī)平臺(tái)和地面站很可能是通用的，將朝著一機(jī)多能的方向發(fā)展。進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，采用模塊化技術(shù)，根據(jù)具體任務(wù)及時(shí)更換不同功能的機(jī)載設(shè)備，執(zhí)行不同的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。美國(guó)通用原子能公司研制的AMBER多用途無(wú)人機(jī)，可用于戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)動(dòng)通訊中繼平臺(tái)或電子戰(zhàn)。該機(jī)裝有前視紅外儀、紅外行掃儀或高分辨率照相機(jī)，通訊/視頻中繼雷達(dá)，信號(hào)情報(bào)偵察綜合/電子支援設(shè)備等。英制小妖精無(wú)人機(jī)可根據(jù)擔(dān)負(fù)的戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視、目標(biāo)指示、電子戰(zhàn)等不同任務(wù)，分別搭載傳感器、激光目標(biāo)指示器和電子干擾機(jī)等各種不同設(shè)備。在靶機(jī)上裝上偵察、電子設(shè)備或各種戰(zhàn)斗部，即可將其改裝成偵察、電子戰(zhàn)無(wú)人機(jī)或巡航導(dǎo)彈。

　　2、高空長(zhǎng)航時(shí)

　　從無(wú)人機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，長(zhǎng)航時(shí)高空無(wú)人機(jī)已成為世界各國(guó)無(wú)人偵察機(jī)的發(fā)展重點(diǎn)之一。其典型機(jī)種如美國(guó)的全球鷹無(wú)人機(jī)，該機(jī)相對(duì)低級(jí)別的已經(jīng)投入到實(shí)戰(zhàn)中，而更高級(jí)別的試驗(yàn)機(jī)也處于最后測(cè)試階段，它裝有噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，長(zhǎng)13m，翼展35m，飛行高度達(dá)19.5km，大大超過(guò)噴氣式殲擊機(jī)和陸基防空導(dǎo)彈的高度，不間斷飛行達(dá)40h。長(zhǎng)航時(shí)高空無(wú)人機(jī)可在空中停留幾天甚至幾個(gè)，獲取目標(biāo)區(qū)完整的信息，為己方?jīng)Q策提供準(zhǔn)確、及時(shí)的依據(jù)。長(zhǎng)航時(shí)高空無(wú)人機(jī)較軍用偵察衛(wèi)星應(yīng)用靈活，價(jià)格便宜，可隨時(shí)按指揮員意圖選定作戰(zhàn)區(qū)域，并盡可能接近戰(zhàn)區(qū)，獲取更精確情報(bào)；它可不受目標(biāo)上空云霧的影響，獲取高分辨率的圖像；它還可機(jī)動(dòng)跟蹤目標(biāo)，提供實(shí)時(shí)信息。所以，長(zhǎng)航時(shí)高空無(wú)人機(jī)已成為軍用偵察衛(wèi)星的重要補(bǔ)充手段。

　　3、微型化、智能化

　　隨著微電子技術(shù)和納米技術(shù)的飛速發(fā)展，21世紀(jì)的無(wú)人機(jī)將變得“微乎其微”如美軍正在研制一種微型無(wú)人機(jī)，能夠在城市的建筑物之間飛行；還有一種微型無(wú)人機(jī)可從人員的手掌上起飛。美陸軍認(rèn)為，無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)近期只是有人駕駛系統(tǒng)的輔助，在中長(zhǎng)期，應(yīng)能按預(yù)先設(shè)定的程序半自主地完成任務(wù)，而在遠(yuǎn)期（2020―2025年以后），則應(yīng)該能從頭至尾完全自主地完成任務(wù)，當(dāng)然仍需要人員的監(jiān)控。各種型號(hào)無(wú)人機(jī)的監(jiān)控將實(shí)現(xiàn)通用化，不同型號(hào)無(wú)人機(jī)獲取的信息可以實(shí)現(xiàn)資源共享。大量采用人工智能和群體智能理論技術(shù)，無(wú)人機(jī)可自動(dòng)尋找、識(shí)別目標(biāo)，確定攻擊目標(biāo)的優(yōu)先順序，選擇恰當(dāng)?shù)奈淦鳎龀鰬?zhàn)術(shù)決策，執(zhí)行必要的攻擊機(jī)動(dòng)動(dòng)作。

　　4、全隱身

　　新型軍用無(wú)人機(jī)將采用最先進(jìn)的隱身技術(shù)。一是采用復(fù)合材料、雷達(dá)吸波材料和低噪聲發(fā)動(dòng)機(jī)；二是采用限制紅外反射技術(shù)，在無(wú)人機(jī)表面涂上能吸收紅外光的特制漆和在發(fā)動(dòng)機(jī)燃料中注入防紅外輻射的化學(xué)制劑，雷達(dá)和目視偵察均難以發(fā)現(xiàn)采用這種技術(shù)的無(wú)人機(jī)；三是減少表面縫隙，采用新工藝將無(wú)人機(jī)的副翼、襟翼等各傳動(dòng)面都制成綜合面，進(jìn)一步減少縫隙，縮小雷達(dá)反射面；四是采用充電表面涂層；五是采用最新的等離子隱形技術(shù)。采用隱身技術(shù)后，可迅速隱蔽接敵，長(zhǎng)時(shí)間與敵接觸。