四旋翼飞行器机载目标视频跟踪与控制技术研究(6)

菜单

同目前正在使用的无人机系统相比，四旋翼飞行器有如下优点：

机动性能独具特色，适于在城市复杂环境下执行任务。与固定翼无人机相比，涵道式无人机可以在狭小区域内垂直起降，并可以在固定目标上空悬停监视，甚至可以降落到高层建筑物上对地面状况进行观察。

机械结构紧凑，推进效率高。与固定翼无人机相比，在相同功率下，相同直径可以产生较大的拉力，相同功率下，产生相同拉力时，所需要的直径较小，同时由于直径较小，涵道无入机在前飞时所受空气受力面小，空气阻力小，易于操控，噪音等信号特征小，具有良好的隐蔽性，安全性好，在战场等环境中具有更好的生存能力。

所以，小型四旋翼无人机军事上可用于情报获取、地面战场侦察和监视、近距离空中支持和禁飞巡逻、电子战、通信中继等方面[12]；在民用上，可用于重大自然灾害之后的搜索与救援，巡逻监视和目标跟踪，缉毒和反走私，高压线、大桥、水坝和地震后关键路段的检查，航拍和成图等。

同时，四旋翼无人机具有很大的可持续开发价值。由于四旋翼无人机需要多用途方向发展，对姿态测量系统以及其它子系统都提出了更高的要求，可以促进更多有价值的二次开发。例如可以结合实验室现有的视觉技术开发视觉定位与定姿系统，进一步提高测量的精度；可以以此为基础开发无线能量传输技术，从根本上解决微小型无人机的能源问题等。由于该无人机模型具有非线性和耦合性，同时由于气动参数摄动，该模型还有不确定性，它的控制问题具备了当前控制问题中的各种难点，因此它能够提供各种控制方法的验证平台。同时，作为一个具有二阶非完整约束的六自由度飞行器，它与倒立摆、球杆系统一样，可以作为科学研究的载体，进行先进控制方法和机器人学领域的相关实验研究。

而且，该课题具有比较可观的潜在经济价值。由于小型四旋翼无人机具有结构简单、使用常规部件和能源、维护方便等优点，使其制造和使用成本相对于其他无人飞行器更为低廉，加之其所具备的广泛用途，其应用前景和市场将是巨大的。

综上所述，开展小型四旋翼无人机的理论和技术研究在开展学术理论研究、推动相关产业和技术发展、加强国防建设、创造经济效益等方面都具有重大的意义。

微小型四旋翼无人机具有低雷诺数、非定常运动和螺旋桨滑流影响大等特点，因而其控制规律比较复杂。同时由于微型飞行器具有体积小，重量轻的特点，在飞行时噪信比大，而传统的飞行控制方法不能很好地解决这一问题。采用先进的控制方法如自适应控制、模糊神经控制、软件使能控制等进行设计，能够使飞控系统具有较强的鲁棒性和模型弱相关性，但是目前这些先进控制方法大多数仍处于实验室研究阶段，离工程应用还存在一定的距离。这些未建模动态特性、参数不确定性、外界干扰和不确定非线性特性将大大增加微小型四旋翼无人机控制结构以及控制参数调整的时间和难度。近几年，控制理论的动态逆技术、变结构控制也得到了一定的发展，但是它们需要构造高可信度的非线性仿真模型，不但计算量很大，而且不易进行鲁棒性分析。因此选择有效的飞行控制方法是发展微小型四旋翼无人机的关键。

根据微小型四旋翼飞行器发展现状和相关高新技术发展趋势，预测它将有以下发展前景：

（1）随着相关研究进一步深入，预计在不久的将来小型四旋翼飞行器技术会逐步走向成熟与实用。任务规划、飞行控制、无GPS导航、视觉和通信等子系统将进一步健全和完善，使其具有自主起降和全天候抗干扰稳定飞行能力。它未来的主要技术指标：任务半径 5km，飞行高度100m，续航时间1h，有效载荷约500g，完全能够填补目前国际上在该范围内侦察手段的空白[14]。