無人機技術(shù)目前研究現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢分析

國內(nèi)外無人機技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1、國外無人機發(fā)展歷史與現(xiàn)狀

在國內(nèi)無人機大放異彩的同時，較國內(nèi)無人機起步更早的國外無人機企業(yè)，更加值得我們關(guān)注和研究。

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

美國：作為北美最大的消費級無人機廠商，3D Robotics公司主要致力于制造開源無人駕駛飛行器（UAV），目前其全球客戶數(shù)量超過3萬。3D Robotics早期主要銷售組裝無人機的成套組件。現(xiàn)在，該公司有從入門級到商用級的多種型號無人機產(chǎn)品，搭載了航拍、視頻拍攝、測繪、3D建模等多種功能，有些無人機還支持預(yù)先規(guī)劃航線或針對特定人物的追蹤跟拍。

2、國內(nèi)無人機發(fā)展現(xiàn)狀

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

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

一架無人機系統(tǒng)由地面站、飛機、鏈路三個核心部分組成。無人機地面站是整個無人機系統(tǒng)的指揮控制中心，專門用于對無人機的地面控制和管理。飛機是無人機系統(tǒng)的主體，而它的核心組件是其飛行控制系統(tǒng)（簡稱飛控），它是飛行器穩(wěn)定飛行的保證。鏈路主要負責飛機與地面站之間的通訊，通過多種通信方式將飛機上的飛行數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)降孛嬲?，并可以將地面站發(fā)出的控制信號傳給飛機，從而使得無人機按照既定的指令飛行。

我國無人機發(fā)展存在的問題及技術(shù)弱點

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

2）發(fā)動機瓶頸問題。發(fā)動機的問題很大程度上制約著我國無人機的發(fā)展，一方面是對發(fā)動機也提出了特殊的要求的無人機特定的高空低雷諾、大過載等飛行條件；另一方面研制基礎(chǔ)本身較為薄弱。渦扇發(fā)動機是未來應(yīng)用的主要走向與國外的差距較為明顯，達不到無人機對飛行速度、航時等指標的要求。

3）無人機行業(yè)人才緊缺。據(jù)初步判斷，我國在2018年需要無人機從業(yè)人員達40萬人次，截至2016年10月，國內(nèi)持證從業(yè)的飛手、維修、研發(fā)等人員卻不到10 000人。

我國無人機發(fā)展存在的技術(shù)弱點是借鑒外國現(xiàn)有的技術(shù)并自主研發(fā)，其技術(shù)層次達不到強國水準，不管軍用或民用的在精準度、控制力、信息傳輸、機動性等許多能力上都較為薄弱。

無人機研究的關(guān)鍵技術(shù)

1、飛行控制技術(shù)

1.1反饋線性化

相關(guān)仿真研究和實踐表明，反饋線性化的優(yōu)點包括：（1）在整個周期內(nèi)，其設(shè)計具有很大的靈活性，能夠適應(yīng)飛機模型的變化；（2）能夠滿足大迎角、超機動等非常規(guī)控制要求；（3）增益預(yù)置不要求在飛機的飛行包線內(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非線性力和力矩模型，對建模誤差敏感，且不能處理動態(tài)系統(tǒng)的未知變化及擾動。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80年代末期，由前南斯拉夫科學(xué)家Kokotovic發(fā)展起來的一種非線性控制方法。該方法對級聯(lián)線性/非線性系統(tǒng)，通過一步步選取適當?shù)目刂芁yapunov函數(shù)，逐步構(gòu)造輔助控制輸入的同時補償不確定性的影響，最終得到穩(wěn)定的控制律。

反步控制有兩個顯著的優(yōu)點：一是在控制器設(shè)計過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)的魯棒性以及動作器的速率和位置飽和問題。可以利用增加自適應(yīng)控制等方法加以補償解決。

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：首先將從任一點出發(fā)的狀態(tài)軌線通過控制作用拉到某一指定的直線，然后沿著直線滑動到原點?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制在無人機控制系統(tǒng)設(shè)計中有兩種設(shè)計方案：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，首先將無人機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)控制進行控制系統(tǒng)綜合。

滑模變結(jié)構(gòu)具有快速響應(yīng)，對系統(tǒng)模型的不確定性和外部擾動是魯棒的和不敏感的、物理實現(xiàn)簡單等諸多優(yōu)點。缺點在于當狀態(tài)軌跡到達滑模面后，難以嚴格的沿著滑模面向著平衡點滑動，而是在滑模面兩側(cè)來回穿越，從而導(dǎo)致抖振現(xiàn)象。

1.4智能PID控制

（1）基于專家系統(tǒng)的PID控制器。專家控制的實質(zhì)是基于受控對象和控制規(guī)律的各種知識，并以智能的方式利用這些知識來設(shè)計控制器，使得受控系統(tǒng)盡可能的優(yōu)化和實用化。專家知識的獲取和經(jīng)驗的總結(jié)在專家PID控制中占重要的地位，它的知識全面性和推理智能度對系統(tǒng)的控制效果有很大影響，也成為控制器設(shè)計的一個難點。

（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)驗為基礎(chǔ)，根據(jù)操作者經(jīng)驗的語言表達來確定各個參數(shù)和控制規(guī)律，然后在實際系統(tǒng)中進行調(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，但穩(wěn)態(tài)精度差。將模糊控制和PID控制兩者加以結(jié)合，揚長避短，既具有模糊控制靈活、適應(yīng)性強的特點，又具有PID控制精度高的優(yōu)點。

（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)習和自適應(yīng)復(fù)雜的不確定系統(tǒng)，有很強的魯棒性和容錯性。但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也有自身的弱點，響應(yīng)速度慢、訓(xùn)練和學(xué)習時間很長、動態(tài)性能指標差以及需要大量訓(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)控制器實際上是一個前饋控制器，它建立的是被控對象的逆向模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器通過想傳統(tǒng)控制器的輸出進行學(xué)習，在線調(diào)整自己，目標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)

無人機提高飲食性能的方法有以下幾種：

（1）機身表面材料的改進。通常，無人機機體表面可以采用降低反射雷達信號波能量的復(fù)合材料構(gòu)造，并覆蓋雷達波吸收材料；

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

（3）機體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。外機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)可以使無人機遠距、快速地傳輸信息，實施超視距控制，是發(fā)展無人戰(zhàn)斗機的關(guān)鍵技術(shù)。如果在遠距或敵人干擾的情況下不能實施通信或不能可靠工作，信息無法發(fā)給指揮控制中心，指令也無法發(fā)給正在作戰(zhàn)的無人戰(zhàn)斗機，人就無法在其中發(fā)揮作用，無人戰(zhàn)斗機將失去其優(yōu)勢。目前，無人機主要采用Ku/Ka波段、C/X波段和L波段進行通信。

4、動力技術(shù)

無人機一般要求長航程，因此，必須采用高效率的動力技術(shù)。此外還可以開發(fā)新的輕型高效燃料，如高效的航空煤油和使用太陽能做動力等。采用新的能夠與機體氣動布局相配合的推力矢量和分裂式副翼進行飛行控制；還有一種使用射流多軸推力矢量技術(shù)，即通過控制發(fā)動機噴口處的噴氣方向進行飛行姿態(tài)和方向的控制，這種技術(shù)免去了以往機械式推力矢量裝置的傳動部件，不僅可以使固定噴嘴更輕，在外形上還能降低雷達截面，并能快速降低噴口溫度以減弱紅外信號

5、發(fā)射、回收技術(shù)

無人機的發(fā)射系統(tǒng)按其發(fā)射點位置來區(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)射主要是指母機投放，以提高無人機的使用壽命，增大航程，降低損失率，但對母機設(shè)計要求較高，同時應(yīng)用的環(huán)境比較受限制?；厥障到y(tǒng)按回收點可分為陸上回收、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)計復(fù)雜但操作運用簡單，應(yīng)用較廣泛。

無人機發(fā)展趨勢

綜觀世界各國無人機發(fā)展現(xiàn)狀及無人機技術(shù)發(fā)展趨勢，其發(fā)展方向可概括為如下幾點。

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，今后的無人機平臺和地面站很可能是通用的，將朝著一機多能的方向發(fā)展。進行系統(tǒng)設(shè)計時，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)及時更換不同功能的機載設(shè)備，執(zhí)行不同的任務(wù)，實現(xiàn)一機多用。美國通用原子能公司研制的AMBER多用途無人機，可用于戰(zhàn)場機動通訊中繼平臺或電子戰(zhàn)。該機裝有前視紅外儀、紅外行掃儀或高分辨率照相機，通訊/視頻中繼雷達，信號情報偵察綜合/電子支援設(shè)備等。英制小妖精無人機可根據(jù)擔負的戰(zhàn)場監(jiān)視、目標指示、電子戰(zhàn)等不同任務(wù)，分別搭載傳感器、激光目標指示器和電子干擾機等各種不同設(shè)備。在靶機上裝上偵察、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)無人機或巡航導(dǎo)彈。

2、高空長航時

從無人機的發(fā)展趨勢來看，長航時高空無人機已成為世界各國無人偵察機的發(fā)展重點之一。其典型機種如美國的全球鷹無人機，該機相對低級別的已經(jīng)投入到實戰(zhàn)中，而更高級別的試驗機也處于最后測試階段，它裝有噴氣式發(fā)動機，長13m，翼展35m，飛行高度達19.5km，大大超過噴氣式殲擊機和陸基防空導(dǎo)彈的高度，不間斷飛行達40h。長航時高空無人機可在空中停留幾天甚至幾個，獲取目標區(qū)完整的信息，為己方?jīng)Q策提供準確、及時的依據(jù)。長航時高空無人機較軍用偵察衛(wèi)星應(yīng)用靈活，價格便宜，可隨時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；它可不受目標上空云霧的影響，獲取高分辨率的圖像；它還可機動跟蹤目標，提供實時信息。所以，長航時高空無人機已成為軍用偵察衛(wèi)星的重要補充手段。

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世紀的無人機將變得“微乎其微”如美軍正在研制一種微型無人機，能夠在城市的建筑物之間飛行；還有一種微型無人機可從人員的手掌上起飛。美陸軍認為，無人戰(zhàn)斗機近期只是有人駕駛系統(tǒng)的輔助，在中長期，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)，當然仍需要人員的監(jiān)控。各種型號無人機的監(jiān)控將實現(xiàn)通用化，不同型號無人機獲取的信息可以實現(xiàn)資源共享。大量采用人工智能和群體智能理論技術(shù)，無人機可自動尋找、識別目標，確定攻擊目標的優(yōu)先順序，選擇恰當?shù)奈淦?，做出?zhàn)術(shù)決策，執(zhí)行必要的攻擊機動動作。

4、全隱身

新型軍用無人機將采用最先進的隱身技術(shù)。一是采用復(fù)合材料、雷達吸波材料和低噪聲發(fā)動機；二是采用限制紅外反射技術(shù)，在無人機表面涂上能吸收紅外光的特制漆和在發(fā)動機燃料中注入防紅外輻射的化學(xué)制劑，雷達和目視偵察均難以發(fā)現(xiàn)采用這種技術(shù)的無人機；三是減少表面縫隙，采用新工藝將無人機的副翼、襟翼等各傳動面都制成綜合面，進一步減少縫隙，縮小雷達反射面；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，長時間與敵接觸。