無人機(jī)驅(qū)控技術(shù)深度解析:從單機(jī)智能到集群協(xié)同的全面突破
> 天空中的舞者,正從機(jī)械執(zhí)行向智能協(xié)同進(jìn)化,
無人機(jī)驅(qū)控技術(shù)作為無人系統(tǒng)研究的核心領(lǐng)域,正經(jīng)歷著從單機(jī)自主到集群協(xié)同的深刻變革?無論是軍事領(lǐng)域的偵察打擊,還是民用領(lǐng)域的物流配送?農(nóng)業(yè)植保,無人機(jī)的性能邊界和應(yīng)用場景直接取決于驅(qū)控方案的先進(jìn)程度?
單機(jī)無人機(jī)驅(qū)控技術(shù)
經(jīng)典控制方法
四旋翼無人機(jī)是一種結(jié)構(gòu)簡單?性能卓越的垂直起降式飛行器,但同時(shí)也是具有四個(gè)輸入?六個(gè)輸出的欠驅(qū)動系統(tǒng),還是一個(gè)多變量?強(qiáng)耦合?靜不穩(wěn)定的非線性系統(tǒng)?這些特性使其控制技術(shù)面臨巨大挑戰(zhàn)?
早期無人機(jī)控制主要采用PID(比例積分微分)控制器,通過反饋線性化后將六自由度系統(tǒng)分解為兩個(gè)線性子系統(tǒng):內(nèi)環(huán)姿態(tài)子系統(tǒng)和外環(huán)位置子系統(tǒng),兩者由一個(gè)非線性耦合項(xiàng)連接?
PID控制方法簡單可靠,但在處理非線性?強(qiáng)耦合 dynamics 時(shí)顯得力不從心?
先進(jìn)控制算法
隨著任務(wù)復(fù)雜度的提高,越來越多的先進(jìn)控制算法被引入無人機(jī)驅(qū)控領(lǐng)域:
- 模糊PID控制:將模糊邏輯與PID控制相結(jié)合,提高了系統(tǒng)對非線性?時(shí)變不確定性的適應(yīng)能力?
- 粒子群模糊PID控制:通過粒子群優(yōu)化算法對模糊PID參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu),進(jìn)一步提高了控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和抗干擾能力?
- 深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)控制:近年來,將深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)與四旋翼無人機(jī)控制相結(jié)合的方法展現(xiàn)出巨大潛力?例如,將深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)與四旋翼無人機(jī)雙向推力控制相結(jié)合,在劇烈運(yùn)動狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)快速懸停,執(zhí)行動作更平滑?狀態(tài)波動更小?
- 模型預(yù)測控制(MPC):針對傾轉(zhuǎn)旋翼無人機(jī)過渡模態(tài)的高度和姿態(tài)控制問題,MPC方法通過迭代優(yōu)化來修正控制器及其比重,顯著提升了過渡模態(tài)的動態(tài)特性?
電子速度控制(ESC)模塊
無人機(jī)電子速度控制模塊是無人機(jī)動力系統(tǒng)的核心,負(fù)責(zé)控制無刷直流電動機(jī)的速度和旋轉(zhuǎn)?ESC包括電源級?電流感測電路?微控制器和與飛行控制系統(tǒng)的通信接口?
目前ESC制造商最常用的電機(jī)控制技術(shù)是磁場定向控制(FOC),這種技術(shù)可以處理快速的加速度變化,而不會產(chǎn)生不穩(wěn)定性,允許無人機(jī)執(zhí)行復(fù)雜的機(jī)動,同時(shí)最大限度地提高效率?
無人機(jī)集群協(xié)同驅(qū)控技術(shù)
隨著任務(wù)和環(huán)境的復(fù)雜變化,單一無人機(jī)已經(jīng)難以滿足任務(wù)需求,由多個(gè)無人機(jī)組成的無人機(jī)集群因其高效率?高魯棒?多功能及可擴(kuò)展等優(yōu)秀性能逐漸受到世界各國的重視?
集群控制結(jié)構(gòu)
無人機(jī)集群協(xié)同控制形成了三種主流控制結(jié)構(gòu):
- 集中式控制:需要指定一臺無人機(jī)作為集群核心,處理所有信息并對所有無人機(jī)下達(dá)控制指令?這種方法易于實(shí)現(xiàn)且編隊(duì)精度高,但魯棒性較差,通信負(fù)載大?
- 分布式控制:沒有信息處理核心,僅通過與鄰近節(jié)點(diǎn)的信息交互實(shí)現(xiàn)對集群的控制?這種方法顯著降低了集群的信息交互量和計(jì)算量,使集群更加穩(wěn)定?靈活?
- 分散式控制:采用控制器與無人機(jī)一一對應(yīng)的控制方式,沒有控制中心,各節(jié)點(diǎn)之間也不存在通信關(guān)系?實(shí)現(xiàn)簡單且具有可擴(kuò)展性,但適應(yīng)性和魯棒性較差?
主流編隊(duì)控制方法
- 領(lǐng)航跟隨法:指定集群中的某一無人機(jī)為領(lǐng)航者,其他無人機(jī)跟隨其運(yùn)動軌跡保持一定的相對距離飛行?這種方法實(shí)現(xiàn)簡單?編隊(duì)精度高,但系統(tǒng)魯棒性較差?
- 虛擬結(jié)構(gòu)法:將整個(gè)集群看作一個(gè)整體處理,對虛擬結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析,控制無人機(jī)跟蹤對應(yīng)目標(biāo)點(diǎn)?這種方法控制精度高且有一定的容錯(cuò)度,但限制了系統(tǒng)靈活性?
- 行為法:為集群中每架無人機(jī)設(shè)置編隊(duì)?避障?跟隨等基本行為,根據(jù)不同外界信息采取不同集群行為?這種方法易實(shí)現(xiàn)?靈活性好,但整體行為難以明確?
- 一致性法:無人機(jī)通過鄰接節(jié)點(diǎn)的信息共享,使每架無人機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)量逐漸達(dá)到一致?這種方法適用于大規(guī)模集群,但算法設(shè)計(jì)復(fù)雜?
前沿驅(qū)控技術(shù)突破
仿生學(xué)習(xí)方法
湖南大學(xué)王耀南院士和南開大學(xué)方勇純教授合作提出一種針對無人機(jī)集群系統(tǒng)的性能函數(shù)引導(dǎo)深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)控制方法,同時(shí)評估性能函數(shù)的示范經(jīng)驗(yàn)與學(xué)習(xí)策略的探索動作,以保證高效可靠的策略更新?
北京航空航天大學(xué)段海濱教授和中國航空工業(yè)集團(tuán)公司沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所李明院士合作提出一種仿鳥群自推進(jìn)粒子模型的無人機(jī)集群相變控制方法,通過設(shè)計(jì)速度保持項(xiàng)和勢能梯度項(xiàng)構(gòu)建仿鳥群運(yùn)動模型?
智能集群算法
針對低空飛行器動態(tài)航路規(guī)劃時(shí)出現(xiàn)的訓(xùn)練效率低?收斂速度慢等問題,研究人員提出了一種基于目標(biāo)導(dǎo)向課程學(xué)習(xí)和優(yōu)先經(jīng)驗(yàn)回放策略的深度Q網(wǎng)絡(luò)動態(tài)航路規(guī)劃算法,通過引入課程學(xué)習(xí)機(jī)制,設(shè)置目標(biāo)引導(dǎo)機(jī)動策略,在提高算法訓(xùn)練速度的同時(shí)優(yōu)化所規(guī)劃航路的可飛性?
新型驅(qū)動結(jié)構(gòu)
創(chuàng)新性的驅(qū)動方案也在不斷涌現(xiàn),例如一種水平加力控制機(jī)體高速飛行的多旋翼控制系統(tǒng),在多旋翼無人機(jī)的基礎(chǔ)上,在各旋翼處安裝基于推進(jìn)器的水平加力機(jī)構(gòu),飛控系統(tǒng)協(xié)同控制旋翼轉(zhuǎn)速和推進(jìn)器水平輸出,使旋翼與推進(jìn)器共同作用,產(chǎn)生合力?
這種設(shè)計(jì)可以顯著減小機(jī)體在飛行時(shí)的俯仰傾角?減小能量損耗,并且提升響應(yīng)速度?控制精度和穩(wěn)定性?
應(yīng)用場景與技術(shù)要求
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應(yīng)用領(lǐng)域 |
典型技術(shù)要求 |
適用驅(qū)控方案 |
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物流配送 |
高精度懸停?避障?路徑規(guī)劃 |
雙向推力控制?動態(tài)航路規(guī)劃算法 |
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電力巡檢 |
穩(wěn)定飛行?抗干擾能力 |
粒子群模糊PID控制?傳感器融合算法 |
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農(nóng)業(yè)植保 |
集群協(xié)同?全覆蓋路徑 |
分布式集群控制?行為法編隊(duì) |
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應(yīng)急救援 |
復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性?魯棒性 |
陸空兩棲驅(qū)控?強(qiáng)化學(xué)習(xí)自適應(yīng)控制 |
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地理測繪 |
高精度定位?航線跟蹤 |
一致性編隊(duì)?預(yù)設(shè)性能控制 |
挑戰(zhàn)與未來發(fā)展趨勢
無人機(jī)驅(qū)控技術(shù)仍面臨諸多挑戰(zhàn)?在低空飛行器方面,核心挑戰(zhàn)是如何支撐以 “異構(gòu)?高密度?高頻次?高復(fù)雜性”為特征的大容量飛行,并在安全可控的前提下,實(shí)現(xiàn)低空經(jīng)濟(jì)規(guī)模化?可持續(xù)?高質(zhì)量的快速發(fā)展?
集群協(xié)同控制技術(shù)亟待解決的關(guān)鍵問題在于減輕集中式控制的通信負(fù)載?增強(qiáng)集群控制魯棒性;優(yōu)化分布式控制的算法設(shè)計(jì)?提高集群控制精度;增強(qiáng)分散式控制的控制效果,提升集群穩(wěn)定性?
未來無人機(jī)驅(qū)控技術(shù)發(fā)展將聚焦以下方向:
- 人工智能深度集成:深度學(xué)習(xí)?強(qiáng)化學(xué)習(xí)等AI技術(shù)與驅(qū)控算法深度融合,提高系統(tǒng)自主性和環(huán)境適應(yīng)性?
- 異構(gòu)系統(tǒng)協(xié)同:無人機(jī)與無人車?無人船等異構(gòu)平臺協(xié)同控制,實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的跨域作戰(zhàn)與作業(yè)能力?
- 抗干擾與安全性:提升在復(fù)雜電磁環(huán)境下的抗干擾能力,保障系統(tǒng)安全性和可靠性?
- 仿生智能突破:模仿鳥群?昆蟲等生物群體的集體行為機(jī)制,開發(fā)更高效?更靈活的集群驅(qū)控算法?
無人機(jī)驅(qū)控技術(shù)的發(fā)展是一個(gè)跨學(xué)科?跨領(lǐng)域的系統(tǒng)工程,隨著新材料?新算法?新傳感器的不斷涌現(xiàn),無人機(jī)驅(qū)控技術(shù)必將迎來新的突破,為低空經(jīng)濟(jì)發(fā)展和智能無人系統(tǒng)應(yīng)用提供更強(qiáng)大的技術(shù)支撐?
