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无人机关键技术研究现状分析

罗宁曦+江建昊
摘要：本文介绍了无人机的特点以及它在军事领域与民用领域的应用，重点对飞行控制技术、机体结构设计技术、数据链技术、动力系统技术等无人机研究领域的关键技术进行了分析。
关键词：无人机；关键技术；飞行控制
1 引言
无人机全称为无人驾驶飞机（Unmanned Air Vehicles ，UAV）是指无人驾驶的由遥控设备或预先编程控制、带有动力源、可根据任务需求搭载不同任务载荷、并可重复回收利用的飞行器。军事领域中，无人机凭借其高灵活性、生存能力高、载荷多样性、滞空时间长、操作简单、性价比高、训练维修成本低、受人为因素干扰小等优点，可以出色地完成侦察、监视、信息中继、毁伤评估、对地（海）攻击、电子对抗、目标模拟和空中预警等诸多任务，而迅速在各国军事领域中占领了重要地位。在民用领域，无人机以其超高的性价比，使其逐渐取代高成本的有人机服务，在电路巡查、航空摄影、消防、人工增雨、交通监视、地面灾害评估、航空测绘、农业植保、快递运送等方面得到了广范运用。特别是在农业植保与航空拍摄方面的应用具有极大的潜力。
2 无人机关键技术
无人机关键技术主要包含以下几个部分：飞行控制技术、机身结构设计技术、数据链技术、动力系统技术。
2.1 飞行控制技术
自飞控系统诞生以来，飞控系统就是直接影响飞行品质的关键系统，飞行控制律的设计又是飞控系统的核心技术。下面简介几种控制方法：
2.1.1 PID控制（Proportional Integral Derivative Control）
PID控制器是最早实用化，目前应用最为广泛的控制器。PID控制器簡单易懂，主要由比例控制、积分控制与微分控制组成，在使用中并不需要精确地数学模型且只需要设定三个参数，更具有可靠性、鲁棒性好等优点。但是随着被控制对象（无人机等）愈加复杂，单一PID应用的局限性越来越明显，比如传统PID参数确定复杂、难以适应非线性控制系统、抗干扰性能差等。因此随着智能算法与计算机技术的不断进步，一些复合PID控制器应运而生。
2.1.2 鲁棒控制（Robust Control， RC）
1972年，Davis on首次提出了鲁棒控制。鲁棒性是指控制系统的健壮性。用以表示控制系统对特性或者参数扰动的不敏感性，是异常或危险情况下系统生存的关键。相应的，鲁棒控制就是指一个以提高控制算法可靠性为主要目标的控制器设计方法。但是由于鲁棒控制一般工作在系统的较差状态下，因此也会造成系统稳态精度较差的问题，控制器阶数过高，控制系统过于复杂也是其一大缺点。
2.1.3 动态逆控制（Dynamic-inverse Control）
动态逆方法是反馈线性化方法中的一种，属于伪线性系统。其基本思想是利用全状态反馈抵消原系统中的非线性特性，用伪线性系统来描述输入输出之间的关系，从而利用线性控制律对新系统进行控制，线性控制律和非线性反馈律也就是最终的非线性控制系统。 动态逆控制能够满足大迎角、超机动等非常规控制要求，但是其对建模精确度要求极高，建模误差的存在将影响其控制性能，甚至是恶化。而通过与其他控制方法结合可以很大程度上改善这一问题。
2.1.4 反步控制（Backstepping Control）
反步法，又称反演设计法，是一种非线性系统自适应控制器的设计方法。该方法以用若干个子系统来代替复杂的高维非线性系统为基本思想，通过反向递推各子系统的Lyapunov函数，设计控制器，实现系统的全调节或跟踪，最终达到期望的性能指标。该方法可以有效地利用非线性系统本身固有的非线性特性，保持全局的稳定性，使得控制效果得到极大地提升。
2.1.5 滑膜变结构控制（Synovial variable structure？Control）
变结构控制的思想主体内容为滑膜变结构控制。其设计思想为：控制器根据系统输出变化，按照一定的内部反馈控制结构，使系统状态从状态空间中的任一点向滑膜面收敛，并在滑模面上滑动，最终达到平衡点。该控制器的设计核心在于滑平面的选取与切换函数的设计。滑膜变结构控制鲁棒性较强，对模型误差、参数不确定性和外部干扰反应迟钝。但其也存在一个固有缺点——外界干扰与系统惯性带来的沿滑模面的高频抖动。滑模面的选取在一定程度上可以解决这一问题，因此这也成为滑膜变结构控制器设计过程中的一大难点。
2.2 机体结构设计技术
无人机结构设计是无人机总体设计中的重要一环，总的来说，相对于有人机，无人机机体结构设计技术主要具有以下几个特点：
（1）结构设计中各种安全系数的阈值普遍偏低。无人机由于不需要考虑飞行员的安全问题，主体结构设计较为简洁明确，降低了对机体安全裕度的控制要求。
（2）机体结构设计模块化、整体化程度高。摆脱有人机的诸多限制，无人机机体结构的模块化与整体化更进一步。将细小零件整合设计，减少结构的连接件、紧固件，可以减少结构集中应力区域数量，同时也可以保证结构强度与刚性特性的连续性，增强了机体结构可靠性。（3）载荷舱设计所占比重增大。无人机的载荷决定了其所能完成的任务种类以及效果。
2.3 数据链技术
根据任务功能，无人机数据链主要分为上行和下行链路，上行链路主要负责地面站到无人机遥控指令的发收，下行链路则主要完成无人机到地面站遥测数据、视频图像信号的发收。无人机之所以能够顺利、有效地完成任务，依靠的不仅仅是机载任务设备，还有大数据流量、宽带、高接收灵敏度、安全稳定的数据通信系统。也只有实现地面系统与空中无人机平台间信息的实时共享交互，才能充分发挥无人机的优势和作用。目前，战场电磁环境日益复杂，电磁干扰武器日益发达，这对无人机数据链技术的抗干扰性也提出了更加苛刻的要求。同时无人机数据链的可靠性、稳定性与安全问题也是未来无人机实现智能自主控制飞行的关键核心技术。可以说无人机数据链性能的优劣与无人机的表现息息相关。
2.4 动力系统技术
无人机长航程、长航时的任务要求决定了它需要有一颗强劲稳定高效率的“动力心脏”。目前，无人机使用的发动机主要包括：活塞式发动机、涡轮式发动机、转子式发动机、电动式发动机、太阳能式发动机。除了研究先进的动力装置，无人机动力技术还在开发各种新型高效能源（如高比能量的电池、高效燃料等）以及推力矢量技术、气动力控制技术等。
3 总结
目前无人机应用越来越广泛，面对的任务越来越复杂，人们对于无人机性能的要求也越来越高，无人机发展可谓动力十足。相信随着高新技术的蓬勃发展，技术难题的不断攻克，无人机必将迎来它的黄金时代，在空宇之中大放异彩。
参考文献：
[1] 常于敏.无人机研究现状及发展趋势[J].电子技术与软件工程，2014.
[2] 陈黎.军用无人机技术的发展现状及未来趋势[J]. 航空科学技术，2013.
[3] 胡中华，赵敏.无人机研究现状及发展趋势

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