无人机撞网回收技术研究

无人机撞网回收技术研究

林杰杨坤白一平吴了泥

林杰杨坤白一平吴了泥厦门大学361005

摘要与国外相比，国内对无人机撞网回收技术的研究应用存在着相当大的差距，其中精确制导和控制技术为主要瓶颈。随着无人机的推广，舰载无人机以及通用无人机对撞网回收技术的需求迫切。无人机的撞网回收是指无人机以自主方式进场，逐渐降低高度、减小速度，然后直接飞入拦阻网进行回收。无人机撞网回收系统的工程研制是一项系统工程,一般由拦阻网装置、吸能缓冲装置和末端引导装置等组成,在技术研究方面必须解决好诸如无人机吸能缓冲技术、无人机末端精确导引技术、高精度控制技术和系统试验验证等相关关键技术，即如何引导无人机准确地飞向拦阻网,触网后如何柔和地吸收能量,从而平稳、准确地实现撞网回收。

关键词无人机回收导引

第一章应用背景与研究意义

无人机（UnmannedAerialVehicle，UAV）是当今世界上航空发展的一个热点。无人机通常指的是无人驾驶、自主推进，由无线电遥控或自身程序控制，利用空气动力承载飞行并可回收重复使用的飞行器。无人机应用途径广泛，20世纪60年代初，自从美国首先将无人机用于军事侦察，无人机先后参加了越南战争、中东战争、海湾战争、科索沃战争、阿富汗战争及伊拉克战争，均发挥了重要作用。在民用领域，无人机也有很大用途，在电力、通信、气象、农林、海洋、勘探等领域应用无人机的技术效果和经济效益都非常看好。此外，无人机在缉毒缉私、边境巡逻、治安反恐等方面也有着良好的应用前景，目前世界各国都在积极拓展民用无人机的应用范围。

无人机的一个重要课题是着陆回收。常见的无人机着陆回收方式主要有着陆滑跑、伞降回收和气垫着陆回收等类型。撞网回收是一种适合小型固定翼无人机在狭窄场地或舰船上实现精确定点回收的先进回收方式。可以认为它是一种零距离回收方式。撞网回收系统一般由拦阻网装置、吸能缓冲装置和末端引导装置等组成，其核心技术在于如何引导无人机准确地飞向拦阻网，从而平稳、准确地实现撞网回收。

小型无人机以其造价便宜，体积小，维护方便，隐蔽性好等优点，越来越受到警方、消防等部门的亲睐。但是，由于城市空旷区域狭小，常规的着陆滑跑方式不再适用于小型无人机。为突破小型无人机发展的瓶颈，找到一种场地需求小、操作相对方便的着陆方式就显得尤为重要，而高精度的撞网回收完全满足要求。因此，撞网回收在民用无人机领域具有极高的应用价值。

第二章理论分析

2.1无人机数学模型

无人机的数学模型是无人机对象特性分析、飞行控制系统设计、飞行仿真的基础。建模过程需要将无人机的运动抽象为六自由度刚体运动的12阶微分方程。一般使用Matlab的S-function描述无人机的非线性数学模型，根据风洞实验或者CFD计算得到的气动数据，对无人机精确建模。

2.1.1十二阶微分方程

无人机属于六自由度运动体，其通用的非线性数学模型可采用如下的微分方程的形式描述：

其中，状态量，分别表示，是机体坐标系下前向速度、侧向速度、地向速度、滚转角速率、俯仰角速率、偏航角速率、滚转角、俯仰角、偏航角、北向位置、东向位置、高度；控制量，分别表示升降舵偏角、副翼偏角、方向舵偏角、油门；为时间。y是输出量，即传感器测量输出。

采用欧美坐标体制下的机体坐标系、速度坐标系、地面坐标系可以简单的描述飞机的转动和移动。可以列写无人机六自由度非线性微分方程。飞机的运动包括三个线运动(前后、上下、左右)和三个角运动(俯仰、偏航、滚转)。为了简化问题，还可以将飞机的运动分为纵向运动和横侧向运动。

根据刚体动力学可获得飞机机体坐标系下的十二个微分方程：

2.1.2无人机气动力和气动力矩的计算

气动数据反映到飞机运动方程中主要是以三个力和三个力矩形式给出的，即阻力D、侧力Y、升力L、滚转力矩R、俯仰力矩M、偏航力矩N。这些气动力(力矩)都是随着飞机的状态变化而变化的，计算公式如下：

气动力通常是马赫数、迎角、侧滑角的函数，气动力矩是马赫数、迎角、侧滑角、气动舵面的函数。

2.1.3无人机数学模型MATLAB实现

采用实验室某无人机气动数据，利用Matlab的S-function建立无人机的十二阶微分方程。模型输入为升降舵，副翼，方向舵，油门以及风速。输出为飞机姿态参数，位置参数，速度参数等。对视线角等信号也给出输出，方便后面的比例导引分析验证。

2.2无人机撞网回收策略

撞网回收策略主要有两类：等下滑角撞网回收策略、比例导引撞网回收策略。其中比例导引撞网回收策略又分为经典比例导引和积分型比例导引两种。这里将对这两类策略进行简单的介绍。

2.2.1等下滑角撞网回收策略

小型无人机撞网回收要求是对定点的目标进行打击。工程上定点制导的有舰载飞机和导弹等飞行器。舰载飞机阻拦着陆方式采用等倾角下滑，在目标固定的情况下，可以规划一条下滑轨迹线，该下滑轨迹角度恒定，无人机撞击到该轨迹线后跟踪这条虚拟的下滑线，按照前向距离实时解算高度。该方案在首届无人机创新大奖赛无人机定点阻拦着陆中由厦门大学代表队成功应用，并取得比较好的效果。小型无人机撞网回收也可以采用这种控制策略。

等下滑角着陆过程可以分为：平飞进场段、轨迹捕获段、等下滑角下滑阶段和触地段，每个阶段采用不同的控制策略。

1）平飞进场段

平直飞行，让飞机靠近目标轨迹线，航向对准网或者跑道。

2）轨迹捕获段

轨迹捕获采用“撞延长线”的方式，飞机高度处于下滑轨迹线延长线确定的飞行走廊时候，开始切入等下滑角下滑控制。

3）等下滑角下滑段

直线下滑段的主要目的就是减小或者消除捕获阶段带来的高度和速度误差，跟踪高度剖面，对准跑道，做好触网准备。

4）触网回收段

当飞机成功撞击到网上或者触地后，飞机收油门，完成最后的回收。

2.2.2比例导引撞网回收策略

比例导引法是指导弹在攻击目标的过程中，导弹速度矢量的旋转角速度与目标线的旋转角速度成正比的一种导引方法。其优点是能够高精度地打击运动的目标。

在二维铅垂平面，导弹与目标相对运动几何关系如图所示。图中，M为导弹，T为目标，、为导弹与目标的速度，、为导弹与目标的弹道倾角，、为导弹与目标的速度前置角，R为导弹与目标的相对距离，q为导弹与目标连线（目标视线角）与基准线之间的夹角。

采用经典比例导引法时，导弹在向目标接近的过程中，导弹速度矢量m在空间的转动角速度正比于目标视线的转动角速度。其导引方程为：

式中、分别为弹道倾角的旋转角速度与视线角的旋转角速度，K为比例导引法的导航比，可为定值或变量。

经典比例导引还可以表示成指令加速度的形式：

按比例导引时，导弹与目标之间的相对运动方程组为：

比例系数K的大小直接影响弹道特性，影响导弹能否直接准确命中目标。

2.3数字仿真

本节通过利用实验室某无人机气动数据，在搭建好的无人机数学模型这个平台上，对于上面介绍的等下滑角回收，经典比例导引和积分型比例导引回收末端制导方案的可行性进行了分析验证，并对于制导策略设计中的关键参数选择进行了分析试验，为后面制导律移植提供参考。

2.3.1等下滑角撞网回收仿真与模拟着陆

A）等下滑角撞网回收仿真

等下滑角着陆撞网方式采用经典PID控制高度和姿态内回路，高度给定由前向距离实时解算。模型中高度给定由S-funciton计算并输出，打击目标位固定坐标。如图为等下滑角着陆撞网仿真simulink方框图：

等下滑角着陆在内外回路参数调节好了的情况下(与飞机空中自主相同)，仿真给定初始状态位于(0，20)点。下图仿真了在下滑角为3.5°时候，飞机初始状态为15~25时候高度跟踪曲线。仿真了不同下滑角度情况下高度跟踪。其中‘*’表示目标点位置。

B）等下滑角撞网模拟着陆实验

在以上仿真的基础上，进行了无人机等下滑角着陆模拟撞网实验，成功实现模拟撞网回收，在GPS精度问题已经解决的情况下，体现出了较好的重复性。

等下滑角撞网回收策略的一个重要参数就是下滑角的设计。在调试这个参数的时候，采用模拟的方法试验得到这个角度。在空中模拟一条下滑轨迹线，试验不同的下滑角情况下末端虚拟撞击的精度。依据试验结果，最后选择了下滑角为3.5°，在飞行高度与地面高度高度差为25m时候，切入等下滑角控制逻辑，进行高度跟踪。高度给定由待飞距离与设定好的下滑角实时结算。试飞数据显示，实际高度都能很好的跟踪给定高度。如图是无人机等下滑角模拟撞网高度曲线：

仿真和模拟可以看出，在不同初始位置和不同下滑角情况下，等下滑角着陆防止精度都在1米以内，均能很好的撞击目标。等下滑角方式体现出了较高的精度。对小型无人机撞网具有精度高，实现容易等优点。

2.3.2经典比例导引撞网回收仿真

经典比例导引采用升降舵面输出值等于配平舵面加上视线角速率的比例系数。为增加内回路阻尼，将俯仰角速率也反馈到舵面上，仿真结构框图如下：

在搭建好的模型下，对不同比例系数和不同配平舵面情况下打击目标进行了仿真。在比例系数固定K=2时候，配平舵面仿真了从-4°到4°均匀取5个点；第二步在配平舵面4°的情况下，对不同比例系数(从1~5)进行了仿真。具体仿真曲线如下：

不同配平舵面下高度跟踪曲线和相应的俯仰角曲线

不同比例系数下高度跟踪曲线和相应的俯仰角：

由仿真曲线可以看出，在不同比例系数和不同配平舵面情况下，经典比例导引能对静止的目标很好的击中，几乎不脱靶。选择合适的比例系数和配平舵面，能很好的打击目标。

2.3.3积分型比例导引撞网回收仿真

积分型比例导引采用给出目标角的方法，目标俯仰角等于当前俯仰角加上视线角与航迹角差的倍数。然后通过PID输出到升降舵。结构图如下：

在搭建好的结构方框图基础上，对不同配平舵面和不同比例系数进行仿真，仿真值设置与经典比例导引一样。同时，在此基础上也对积分型比例导引的移动目标打击效果进行了仿真。

分析仿真曲线，可以看出：1）积分型比例导引对于不同的比例系数和配平舵面都能很好的击中目标。比例系数选择对于击中目标很重要；2）当比例系数太小时候，目标提前触地脱靶。如图2-17，当比例系数为1的时候，高度出现小于0，这个就是提前着陆；3）比例系数太大，打击过程俯仰角变化大，姿态不平稳；4）合适的配平舵面能保证飞机在末端制导过程姿态平稳。

2.4飞行数据分析

飞行数据是通过数传电台传送到地面站的遥测数据。空中自主飞行目的是调整自动驾驶仪PID参数以及相应配平舵面，油门和姿态，使飞机能按照预定的航迹和高度飞行。先调纵向参数，使得飞机在过弯不掉高，保证飞行安全。之后是调整横侧向，保证飞机能按照预定的航向和航迹飞行。

综合多次飞行数据，有两个典型的问题：1）飞机在过弯的时候会高度保持不住，掉高；2）飞机转弯速率不均衡，过弯先慢后快。两个问题可以分成纵向和横侧向两个。

2.4.1纵向数据分析

小型无人机纵向控制分为内回路姿态控制和外回路高度控制。姿态控制主要参数是俯仰角增益和俯仰角阻尼系数。外回路则是高度差的比例，积分，微分三个参数。转弯过程中还有一个就是滚转角到升降舵的一个补偿，这个是为了消除横侧向和纵向耦合。

无人机纵向控制律为：

式中为俯仰角增益，为俯仰阻尼，分别为高度通道比例，积分，微分系数。

纵向遇到的最大问题就是过弯的时候高度保持不住。纵向的调试主要是几个参数的合理选取，油门在这个过程中进行配合。在调试过程中，总结出如下经验：

1）高度调试首先应该选择在直飞段，消除横侧向耦合的影响，然后再调试过弯过程；

2）内回路调节主要看俯仰角跟踪给定俯仰角的快慢与超调。可以选择爬升或者下滑来调试内回路参数。当俯仰角与给定角度相差太大，可以考虑增大俯仰角增益系数，反之减少；俯仰角若果出现震荡，增大俯仰阻尼。

3）高度PID参数调节可以看平飞段跟踪高度情况来调节；高度比例系数太大高度跟踪明显，但是容易导致沉浮运动。当升降速度太大的时候，应适当增加微分系数，提高高度通道阻尼。

4）在过弯的时候，如果掉高太厉害，则增加滚转到俯仰的补偿，使得在大滚转的时候升降舵给出舵面让飞机抬头。

因此，最终确定增益为2.5。

2.4.2横侧向数据分析

横侧向主要是飞机在过弯的过程难以按照预定轨迹飞行，且出现了转弯先慢后快的过程。图4-1列出了某架次的一个典型的飞行轨迹曲线：

分析数据，我们找到3点切换的数据，发现在直线23末端时候飞机俯仰角为负值，到了34航段的时候，飞机掉高，然后飞机升降舵面给出升降舵，此时飞机抬头，俯仰角变大，最大到20°，这时候飞机马上转过弯对准预定航向压线飞行。过程中的曲线如图：

由上面我们可以得出结论：飞机转弯快慢与俯仰角关系很大，俯仰角越大，转弯越快。在此结论下，我们尝试在转弯的时候飞机撤掉部分油门，升力减小，此时升降舵舵面让飞机抬头，提高俯仰角，使飞机副翼舵面效应增大，这样转弯就很快。这个试验基础是增加高度通道的增益系数，让高度跟踪能力加强，在掉高的情况下能很快的给出升降舵面，让飞机抬头。改进之后实验之后横侧向轨迹如图：在采用过弯收油门策略之后，转弯明显改善，每个弯都能很好的转过，并且具有很好的重复性。小飞机转弯收油门控制是一个大胆的尝试，对工程具有很好的借鉴意义。

第三章系统构建

3.1无人机载机

小型无人机撞网回收的目的在于将此项目应用于警方城市上空巡航。对于载机的要求轻巧灵便，组装简单，成本低，而且载机要求有一定的负载能力，包括机载的飞控计算机和传感器，以及以后的航拍摄像头负载等。

比较市面上比较成熟的航模飞机，最后选择了天行者号无人机。天行者相对负载能力大，气动性能好，安装方便，价格相对低廉。

飞机主要参数如下：

材料：EPO

全长:1180mm

翼展:1680mm

机翼面积:35.5dm2

载重量:1300-1800g

翼载荷:36.6

3.2无人机自动驾驶仪硬件平台

本课题研究内容小型无人机撞网回收，选择了基于配置了MPC5534的无人机飞控系统

1）控制器

控制器的计算能力和稳定性能是影响飞行品质和飞行安全的首要条件。确保控制器可靠性是一个重要选择依据。该无人机实验室拥有自己的一套飞控系统，飞控计算机采用PowerPC系列控制器。PowerPC系列飞控计算机为军工级产品，广泛应用于导弹等军事领域，体现出高度的稳定性。

控制器主要技术参数如下：

?CPUMPC5534

?16MbytesSPI接口数据记录Flash

?128KBytes关键数据断电保护NVRAM

?12路带隔离PWM输出

?6路带隔离PWM输入

?2路CAN接口(CAN2.0B协议)，最大支持1Mbps

?7路RS232串口(含TTL，232/485可配置)

?主板集成MPX5004G,MPXA6115A气压传感器接口

?启动时间小于300ms，工作温度-40℃～+85℃

?尺寸大小68×40mm

2）IMU模块

陀螺仪选择需要考虑成本和精度的折中。市面上形形色色的IMU模块，在价格和性能上都不能很好的匹配，需要依据具体要求进行选择。基于MPC5534飞控版接口为串口，而无人机实验室拥有MTI公司微姿态参考系统（AHRS），方便系统集成。AHRS主要性能如下：

动态范围：三维的所有角度

角度分辨率：0.05度

静态精度(纵倾横滚)：<0.5度

静态精度(航向角)：<1度

动态精度：2度RMS

工作电压：4.5-15V

功耗：360mW(工作时)

最大更新速率：512Hz较核传感器数据/100Hz航向角数据

3）GPS模块

无人机飞行速度在10m/s～20m/s，网高度6m，这就要求GPS以及其他传感器精度要求高，GPS精度范围在1～2m范围内，普通UBLOX系列GPS水平精度5～10m，高度精度一般是水平误差的两倍，也就是高度10m以上。NovAtel系列GPS模块精度能达到1m，但是成本上万，对警用无人机成本控制不利。在控制成本的情况下，采用UBLOX-6T模块。UBLOX-6T支持伪距差分，差分数据格式为通用格式RTCMV2.3，差分数据由NovAtel板卡输出，经电台传送到UBLOX-6T。进入伪距差分的UBLOX定位精度能提高到1～3m。

3.3无人机软件平台

飞行控制软件可划分为：底层驱动模块、传感器模块、无线测控模块、舵机控制模块、数据管理模块、遥控遥测模块、控制律解算模块、导航模块和调度管理模块。对这些模块进行分类组合，将整个飞行控制软件可划分为三个“执行层”，分别是硬件驱动层、软件服务层和软件功能层。通过这三个执行层来实现整个飞行控制软件的功能。

飞行控制软件功能层主要包括遥控遥测模块、导航模块、控制律模块和调度管理模块。

飞行控制软件功能层

1）导航模块设计

整个自主导航流程图如下：

2）控制律模块设计

控制律解算模块利用数据采集模块得到的飞机状态信息和导航制导信息，调用相应的飞行模态控制律，对无人机的实施控制，并将解算结果发送给底层驱动模块。

纵向控制律如下：

横侧向控制主要包括滚转角控制、航向角控制和航迹跟踪控制等。表达式为:

3.4半实物仿真

飞行控制的一个必要环节就是仿真。仿真可以验证飞控计算机逻辑的正确性，提前发现飞行问题，提高了飞行的安全性，有效的降低了成本，验证系统可靠性等。

整个系统流程如下：

第四章阶段性成果

4.1等下滑角撞网飞行试验结果

在理论分析相对成熟和飞行平台搭建相对完善的基础上，我们进行了外场无人机自主飞行的勇敢尝试，将理论付诸实践。经过数月的的调整与改进，目前已取得阶段性突破，无人机不仅能够准确跟踪预定巡航航线，更重要的是，无人机能够自主降落，跟踪预定降落轨迹，自主飞向回收网，并相对精确地撞网回收。

4.1.1实现自主飞行

在搭建好的演示样机平台上，依托前面的理论分析，经过十几次试飞，不断调整相应的飞行参数，最终成功实现空中自主飞行。

图4-1无人机飞控计算机界面

4.1.2实现定点撞网回

在无人机仿真得出最佳下滑轨迹角的基础上，通过通场飞行，观察实际下滑轨迹与预定下滑轨迹的离合程度，不断调整下滑轨迹角。经过数十次试验，进而确定撞网回收下滑段的实际最佳下滑轨迹角，成功实现了高精度定点撞网回收。

现阶段项目小组已经基本实现了无人机的自主飞行和定点撞网回收，但是仍然需要在精度和稳定性上不断改善。同时项目小组正在积极准备进行无人机的动点撞网回收，相信数月之后，将有更进一步的突破。

第五章总结

目前，无人机的应用领域越来越广。其中，小型无人机以其造价低廉，使用方便等优点受到人们的亲睐。但是由于常规回收方式所需场地的制约，小型无人机一直无法大范围应用。而撞网回收是解决这一瓶颈的有效途径。

无人机撞网回收技术的核心在于飞行控制系统的设计。我们自主设计的基于MPC5534的飞行控制系统，与其他飞行控制系统比较，具有功能强、可靠性高、性价比高、扩展性好、操作简单等优点，完全满足科学性、先进性、实用性和经济性的要求。

通过对无人机气动数据进行分析建立了无人机数学模型，在此基础上，我们提出两种撞网回收策略：针对定网，提出等下滑角撞网回收策略，针对动网，提出比例导引撞网回收策略。利用MATLAB/S-function与FlightGear等软件进行数字仿真，分析验证了等下滑角回收末端制导策略和比例导引末端制导策略的可行性，结果表明两种策略均能很好的完成末端制导任务。

对于飞行平台的搭建，我们采用“天行者“无人机。天行者相对负载能力大，气动性能好，安装方便，价格相对低廉。在此平台上进行飞行控制系统的搭建（包括飞控计算机、传感器、舵机），飞行控制软件的移植测试工作，以及半物理仿真平台的搭建与仿真测试。

在充分的模拟仿真飞行后，进行外场真实试飞。首先自主起飞，接着通过通场飞行，试验不同的下滑轨迹角，进而确定撞网回收下滑段的最佳下滑轨迹角。最后在地面进行了撞网回收，成功实现定点回收，完成了定网下无人机撞网回收的工程应用。

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