小型无人机导航与制导关键技术

任涵

摘 要：文章所研究的内容主要围绕着小型无人机所应用的导航及制导关键技术，首先分析了现阶段所开展研究工作的进展，然后通过理论与实际相结合的方式，以系统构成、体系分析等方面作为切入点，对导航及制导技术的具体应用展开了探究，供相关人员参考。

关键词：小型无人机；导航技术；制导技术

中图分类号：V249.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）06-0061-02

Abstract： This paper mainly focuses on the key technologies of navigation and guidance for small UAVs. Firstly， the progress of the research work is analyzed， and then the combination of theory and practice is adopted. With the system structure， system analysis and other aspects as the breakthrough point， the specific application of navigation and guidance technology has been explored， for the reference of relevant personnel.

Keywords： small UAV； navigation technology； guidance technology

引言

在科学技术发展速度极快的当今社会，小型无人机开始被应用在诸多领域之中，并且取得了一定的成绩。小型无人机是指适合近距离、短程飞行的，能够完成目标巡查和灾害监测工作的飞行器的一种，具有十分广阔的发展前景，作为小型无人机所涵盖诸多技术中相对核心的一项技术，导航及制导始终是专家和学者研究的重点，可以说只有保证导航及制导技术的合理应用，小型无人机才能够高质量完成任务，因此，本文所研究内容具有一定的现实意义。

1 小型无人机导航及制导技术的研究现状

对小型无人机而言，导航及制导关键技术的作用主要体现在广域搜索以及识别目标这两个方面，一般来说，导航及制导系统由三个部分组成，分别是导引头、目标识别装置还有导航装置，经由双向数据链路完成信息的传输。小型无人机最突出的特点在于其体积较小，这也对所应用导航及制导系统提出了全新的要求，随着科学技术的进步，微小型导航及制导系统应运而生，将其应用在小型无人机中，能够帮助无人机更好的完成任务，可以说微小型导航及制导系统的出现在某种程度上推动了我国小型无人机领域的发展。

小型无人机所应用的导航系统，是通过对卫星导航、无线电导航、惯性导航、天文导航等多项技术进行有针对性的组合所产生的，其中使用频率较高的导航技术为惯性导航、卫星导航，MEMS技术的发展，又在将惯性导航与卫星导航进行结合的基础上，达到了“微小型”的要求，无论是对小型无人机，还是对微型无人机而言，这一研究成果都具有无法被忽略的重要意义。需要注意的是，虽然微小型系统以及器件更加符合小型无人机的要求，但是现阶段，我国围绕着相关系统以及器件所展开的研究工作仍旧存在一定的不足，换言之，系统以及器件的精度仍旧具有较大的上升空间。

2 小型无人机导航及制导系统的具体研究

从功能的角度对小型无人机进行分析能够发现，小型无人机通常是由侦查导引、数据链路、飞行器平台等多个不同的分系统所构成，其中，侦查引导系统就是本文重点研究的导航及制导系统，该系统的作用是对无人机平台所处的运动状态进行测量，保证小型无人机飞行的稳定性，并通过对目标运动状态进行测量的方式，完成与跟踪目标相关的指令的计算，保证小型无人机能够按照既定轨迹完成飞行任务[1]。随着科学技术的发展，小型无人机主要被应用到各个领域，而其需要完成的任务也由此而变得更加多样化，导航及制导系统的存在能够保证小型无人机完成自身使命，下面就围绕着小型无人机的制导系统展开研究。

2.1 导航及制导系统的构成

2.1.1 引导装置

引导装置的作用是对小型无人机和目标所處的运动状态进行探测，具体包括角速度量、速度矢量以及实际位置三个方面，需要注意的是，上文所提及的三个量可以与小型无人机所处运动坐标系相对的量，也可以是与地面坐标系相对的量。

2.1.2 指令的形成

指令形成部分主要是指对小型无人机和目标的信息进行处理，以所选择引导规律和导航及制导回路参数与结构为依据，完成相应的处理工作并形成指令。

2.1.3 稳定控制系统

为了避免小型无人机受外在因素干扰，导致无法根据既定路线平稳的完成飞行工作，现阶段，稳定控制系统已经被广泛应用在了小型无人机之中，并通过对控制指令及相关信息进行处理的方式，保证飞行状态的有效更改，以及小型无人机自身稳定性的提升。

2.2 导航及制导体系的分析

2.2.1 选择导航及制导方式

与常规无人机相比，本文所研究无人机所对应导航及制导系统的特点主要是高度的时间敏感性，因为只有这样才能在规定时间内完成任务，因此，在对导航及制导方式进行选择时，也应当遵循这一原则。具体来说，制导体系的作用主要是对无人机加以控制，使其能够准确飞向目标，那么，以下两个功能就是制导体系所必备的：控制功能、导引功能。控制功能是指由小型无人机和飞控器共同构成的闭环系统，该功能的作用是加强小型无人机的稳定性并对其进行控制；导引功能是指由小型无人机、飞控器、导引头以及运动学环节共同构成的闭环系统，该功能的作用是保证小型无人机质心运动的稳定进行。小型无人机具有的特点决定了其对制导体系具有十分严格的要求，与红外导引头比较而言，利用地面无线电系统发送的位置信息进行导引，无论是在功耗还是在成本等方面都更加适合小型无人机，因此，本文所讨论小型无人机的导航及制导体系主要是通过地面无线电系统所发送的位置信息完成导引工作。

2.2.2 选择导引规律

作为对小型无人机的控制系统进行设计时不可或缺的部分，导航及制导系统的工作原理是以导引头所测定的、小型无人机相对目标的实际飞行情况为依据，利用导引规律对小型飞行机预定位置和实际位置间存在的偏差进行计算并形成相应的导航及制导指令，以此来改变小型无人机飞行方向，让其根据既定轨道飞向目标，完成相应的任务。导引规律不仅对小型无人机飞行过程中所遵循运动规律进行了描述，还对小型无人机的飞行参数与特性具有决定作用，因此，保证所选择导引规律的科学性、合理性是十分重要的。现阶段使用频率较高的导引规律主要由经典和现代两种，经典导引规律的优势在于结构简单、所需信息量较少，正是因为如此，经典导引规律较现代导引规律相比，使用范围更加广泛[2]。

对于本文重点研究的导航及制导体系而言，在完成特定任务前，首先应当判断目标特性，通过实践不难看出，如果应用比例导引，往往会导致发动机失速、导引盲区等问题的出现，进而对导引精度产生影响。除此之外，想要保证比例导引的实现，测量小型无人机和目标之间的相对角速度也是很有必要的，在科学技术发展速度极快的当今社会，用于该项测量工作中的元件已经十分精确。综上所述，由比例导引法、平行接近法和追踪法共同组成的经典导引规律较现代导引规律而言，更加符合小型无人机的要求。

2.3 导航及制导系统功能的分析

小型无人机的导引体系主要由导航及制导、飞行控制这两部分组成，飞行控制的作用是以控制指令为依据，对小型无人机的运动姿态进行改变，导航及制导则用于对控制指令进行生成的过程中。对常规无人机而言，导航的作用是对无人机进行水平导航，根据轨迹生成相应的控制指令，保证无人机能够按照既定路线完成飞行任务。

作为对小型无人机进行计算、控制和管理的中心，制导和飞控系统的构成可以分为导航设备、传感器、伺服装置、计算机等诸多部分，制导和飞控系统所应用体系结构的基础为捷联惯导系统，作为无框架系统的一种，捷联惯导最突出的优势在于其无需对复杂机电平台加以应用，便可以完成对无人机速度、位置、航向等数据进行计算的工作，且计算结果准确度极高，除此之外，体积小、成本低和高可靠性也是该系统的优势所在，将其与GPS相结合，并选择具有较高性能的信号处理器作为核心，不仅可以大幅度提升处理速度，使任务管理、飞行控制都具备应有的实时性，还能够在最大程度上对飞行过程具有的可靠性加以保障。传感器构成主要为磁强计，气压计，三轴陀螺仪和三轴加速度计，对于固定翼无人机还有空速计；对于固定翼，伺服装置的构成主要分为风门舵机，方向舵机以及升降副翼舵机三个部分，对于旋翼机为伺服电机[3]。

制导和飞控系统需要具备的功能如下：其一，对围绕着机载电子系统开展的检测工作进行控制；其二，对发射以及回收进行控制；其三，以小型无人机飞行速度以及高度为依据，对飞行控制参数进行自动变更；其四，对任务设备、飞行状态所涉及的参数进行采集、编码，并向记载测控单元进行发送；其五，对遥控指令进行接收和执行，改变无人机的飞行状态；其六，和飞机系统、测量设备共同构成稳定飞行回路以及包括航向角、倾斜角在内的姿态角；其七，保证小型无人机能够根据所给定偏航角、滚转角以及俯仰角完成飞行任务；其八，以无线电的定位信息和GPS為依据，通过预编程的方式现实小型无人机的自主飞行，一旦有失控情况发生，小型无人机可视情况选择自动返航或是自毁。

3 结束语

通过对上文所叙述的内容进行分析能够看出，导航及制导技术对小型无人机具有十分重要的作用，文章以小型无人机的导航及制导技术作为切入点，从导航及制导系统的功能、体系等方面出发，完成了导航及制导体系的构建工作，以期能够为后续围绕着小型无人机所应用导航及制导系统开展的计算、仿真研究工作提供帮助，提高我国无人机领域的整体水平。

参考文献：

[1]张百强.中短程捷联惯导/GNSS导航系统关键技术研究[D].中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，2017.

[2]孟冲.小型无人机负荷分担式容错飞行控制软件设计[D].南京航空航天大学，2015.

[3]王磊.复杂地形环境下的无人机导航问题研究[D].哈尔滨工业大学，2013.

[4]吴长胜.一种小型无人机的航迹跟踪算法[J].科技创新与应用，2017（24）：4-5.

[5]高照忠，魏海霞，叶长斌.无人机遥感技术及应用[J].科技创新与应用，2015（20）：3-4.

[6]周岚.浅论无人机航拍发展及展望[J].科技创新与应用，2016（33）：68.