圖3 貨物吊取的原型
圖4 無人機對運動物體的吊取
圖5 旋翼無人機吊掛負載飛行演示實驗
不難發現，目前這些系統只是在旋翼無人機系統上增加簡單吊取裝置來驗證整個概念的基本可行性而無人機吊掛系統是一個多變量、非線性、強耦合、欠驅動的復雜被控對象。無人機吊掛飛行時，吊掛負載的擺動會直接影響到無人機的飛行穩定性。柔性吊掛自身的復合自由度以及其所處的復雜擾動環境使其同現有的具有作業能力的其他無人平臺系統相比，具體自身特有的控制難點，而且這些難點并不能通過旋翼無人機和吊掛系統各自建模、規劃與控制方法的簡單組合來解決。這些問題正是相關研究機構的研究重點，且已經逐漸成為了無人機研究領域的一個新熱點。但到目前為止，系統性、理論性的研究成果尚未出現。
卡內基梅隆大學研究院在動力學模型建立方面考慮吊掛纜繩的彈性和阻尼特性，推導出一個無坐標系統的動力學模型。經過數值仿真表明，針對非彈性纜繩的情況開發的幾何控制器仍然適用于彈性纜繩的情況。文獻將吊掛纜繩簡化成剛性連接桿，研究了吊掛負載對旋翼無人機動力學特性的影響，并討論了在吊掛負載的影響下旋翼無人機的飛行穩定性及其相應的控制方案。文獻研究了因吊掛負載的擺動而引起旋翼無人機系統的穩定性問題，并重點分析了擺動產生的基本條件及原因，以及懸掛點位置、不確定載荷質量等對無人機和吊掛負載耦合運動的影響。綜合上述分析，吊掛點、載荷質量和動力學模型等與吊掛無人機飛行特性密切相聯，在加裝吊掛裝置時要充分考慮其構型及結構參數等引起的整體耦合系統的變化，降低上述因素對飛行穩定性和可控性的影響。
為了保證無人機系統能夠在吊掛物擺動時保持穩定的飛行狀態，需要對無人機系統的協調規劃和控制問題進行研究。在這方面研究做的比較好的是特拉華大學(University of Delaware)的Agrawal等人。相關研究人員對無人機系統裝載一個纜繩掛載機器人在搬運貨物時二者的協調問題開展了深入研究。挪威科技大學研究人員開發了基于反推技術的非線性跟蹤控制器，除了抑制擺動負載的影響之外，控制器還可以補償未知的恒定風力擾動，通過開環整形濾波器規劃無路徑來減小懸掛載荷的擺動。瑞士蘇黎世大學、美國麻省理工學院P.Foehn和R.Tedrake等人[56]提出了一種快速軌跡優化算法，并能夠將軌跡優化問題轉化為帶有互補約束的數學程序（MPCC）。國賓夕法尼亞大學的研究人員基于微分平滑（differential flatness）方法設計了針對平面四旋翼無人機吊掛系統的控制器，實現了針對平面四旋翼無人機吊掛系統的軌跡生成和跟蹤，并將這種控制放大擴展到三維環境。利用幾何控制（geometric control）和微分平滑方法，達到了四旋翼無人機吊掛系統幾乎全局指數穩定的控制效果。
上述規劃與控制方法或者對于特定的模型不確定性參數具有一定的魯棒性/自適應性，或者對于單純的外界干擾具有一定的不確定性。但是，由于動力學模型的不確定性是深入到模型結構的不確定性，因此這些方法即使對于無人機系統的自主控制仍然難以取得較好的控制性能。
在國外研究取得初步進展的同時，我國也開始意識到無人機面向自主任務作業的重要性和迫切需求。中國航空工業集團在2013年成功舉辦了國際無人飛行器大獎賽，在旋翼組的競技類比賽中設置的比賽任務中，以運動中艦船間的空中補給為背景，要求無人機在兩個移動平臺之間實現自主定位抓取，運送和碼放物資的作業。以任務完成精準度和完成時間作為考核指標。該比賽吸引了來自新加坡國立大學、清華大學、北航和南航等國內外眾多高校研究團隊參加。最終，只有中科院沈陽自動化研究所成功抓取全部物資并完成碼放作業，同時以總分第一名獲得冠軍。
圖6 國際無人飛行器大獎賽任務示意圖
此外，近年來國內高校也相繼開展了對吊掛無人機的控制研究，取得了一定的成果。中科院沈陽自動化研究所韓建達等人設計了四旋翼懸掛負載系統的滑模控制,驗證了對負載擺動和系統不確定性的強魯棒性以及良好的跟蹤控制性能。天津大學鮮斌教授團隊針對四旋翼無人機吊掛飛行系統，設計了一種新型控制策略，建立四旋翼無人機吊掛系統的數學模型，將吊掛負載看作由剛性繩懸掛在四旋翼無人機重心位置的質點，通過能量分析的方法設計了針對此系統的非線性控制器。經仿真驗證，可以在抑制吊掛負載擺動的同時將四旋翼無人機移動到目標位置。華中科技大學杜沛力等人，針對無人機攜帶吊掛負載物的系統通過結構分析進行數學建模得到三維空間中四旋翼無人機運動特性與負載物擺動之間關系，提出以二型模糊集合描述該不確定性較多的系統，設計了二型模糊控制器對無人機空間位置及負載物擺動進行控制，通過仿真結果證明了二型模糊控制能達到控制無人機位移及抑制負載物擺動的效果，驗證了無人機攜帶吊掛負載應用的可行性以及面對外界干擾的魯棒性。
3. 結論
無人機因其獨特的優勢，越來越受到國內外高度重視。通過上述對吊掛無人機的飛行控制技術的綜述不難發現該技術真正應用在可執行遂行任務上的無人機面臨的技術問題依然艱巨。尤其對于吊掛無人機來說，其自身復雜特殊的運動機理將是我們面臨的重大難題。就目前發展來看，對于吊掛無人機的研究仍然存在著諸多挑戰。但是隨著相關技術的不斷迭代和成熟，尤其是隨著以人工智能為代表的信息技術的突破性進展和廣泛應用，無人機必將得到更進一步的發展，并將深刻改變人們的生活方式、改變行業應用模式，也將改變未來戰爭的形式。而對于面向自主任務作業的吊掛無人機來說也必然會有美好的發展前景。
作者：齊俊桐 平原
本文刊載自《無人系統技術》2018年第1期
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