无人机吊挂飞行控制技术综述

齐俊桐，平 原

（天津大学电气与自动化工程学院，机器人与自主系统研究所，天津 300072）

1 引言

当今，无人机以自身独特的优势获得了极大的发展，在军用、警用、国土安全，灾害预警，线路巡检和影视航拍，通讯，农业，环境保护等诸多领域有着广范应用。特别是在当下人工智能的时代浪潮中，其研究成果也是日新月异，物流运输已成为无人机重要的应用方向之一。无人机作为一个理想的作业平台，吊挂飞行是其遂行任务之一。它具有灵活的机动性，可以在其它运输工具难以到达的地方，快速、高效地开展物资运输投放作业；而且无需考虑地理环境，不受陆地交通运输的管制，操作简单易上手；再者，采用吊挂形式的运输不用担心吊挂物外形的影响[1]。因次，吊挂无人机在军事和民用领域得到了越来越广泛的应用[2]。然而无人机在吊挂物体飞行时，其系统稳定性会受到来自吊挂物体摆动的影响，这也是国内外高校和研究团队关注和研究的焦点[3-5]。

2 吊挂无人机飞行控制特点

吊挂无人机是一个多变量、非线性、强耦合、时变、欠驱动的高阶耦合系统，是一个复杂的被控对象，其主要特点体现在以下几个方面[6-9]：

（1）建模难度大。对于无人平台柔性吊挂这样的多自由度复合结构的控制有着其自身特殊的技术难点，并不能通过无人机和垂吊物各自建模、控制与规划方法的简单组合来解决，而且很难建立精确的全机动力学模型，这对吊挂无人机控制系统的鲁棒性提出了极大的挑战。

（2）耦合特性严重。无人机本身存在严重的耦合，而吊绳和吊挂物的引入则改变了系统整体气动布局，进而加剧了耦合。

（3）全机动力学特性复杂。面向任务作业过程中无人机、垂吊物、降落目标相对运动，加之随机的环境扰动，使其产生复杂的全机动力学特性。使得垂吊物与降落地面接触过程中两者之间的作用力/力矩及随机的外力/力矩扰动将使系统动力学模型呈献较多不确定结构和参数。

3 国内外发展及技术研究现状

吊挂无人机是近年来出现的一个新概念，就目前公开发表的相关文献来看，其研究成果还比较少。尤其在型号无人机方面，由于一直是世界各国军方推崇的装备，相关研究属于机密，目前一些发达国际的研究成果也未公开发表。

图1 K- MAX吊挂无人直升机

图2 MQ- 8C吊挂无人直升机

在大型吊挂无人机研究方面，就目前来看其技术相对成熟的当属美国和以色列，比如美国的格鲁门公司，以色列飞机工业公司马拉特分部等，在型号无人机方面都具有相当成熟的技术成果。其次技术比较成熟的是英国、德国、意大利、法国等欧洲发达国家。此外日本的雅马哈公司在这方面的研究也是居世界前列[7]。但是，对于执行外吊挂运输任务的无人直升机来说研究成果相对较少，公开发表的文章也寥寥无几。我们可以看到的，如美国卡曼公司的K-MAX和洛克希德马丁公司的MQ-8C都是专门用来执行机外吊挂运输任务的无人直升机。K-MAX无人直升机目前已经可以达到自主飞行的技术水平，并且在阿富汗战场上成功执行了吊挂运输补给任务[8]。2015年6月，卡曼公司Aerosystems部门恢复K-MAX载重直升机的生产。K-MAX载重直升机在世界各地用于消防、日志记录和其他要求高载重的任务。2017年5月份，K-MAX进行了恢复生产以来的首飞测试[10]。

国内对无人直升机的研制始于“八五”期间。发展至今，虽然取得了一定的成果，但是在飞行控制和动力等关键技术方面跟国外相比差距依然很大，多数的核心元件需要进口，并且在研制模式上基本是对国外的成熟机型进行仿制或对有人机进行无人化改造。《装备预先研究技术成熟度评价标准》把我国工业无人直升机的技术成熟度列为7级（共9级）。技术相对较为成熟的为中航工业602所，其次是总参谋部60所，最后是以北京中航智科技有限公司为首的民营企业[11，12]。但是，对于执行吊挂运输任务无人机的研究成果在国内还尚未出现。

20世纪中期到90年代是利用直升机开展吊挂运输作业的研发初创期，但由于关键技术问题不能很好解决，研制进程缓慢。随着飞控技术的突破以及复合材料、动力、传感器等核心技术的快速发展及广泛应用，加之军方在高技术战场侦察的需要，我国越来越重视无人直升机的研究，确保逐步实现智能化、多元化[13]。但是，对于无人平台柔性吊挂这样的多自由度复合结构的控制有着其自身特殊的技术难点，并不能通过无人机和垂吊物各自建模、控制与规划方法的简单组合来解决，这对吊挂无人机控制系统的鲁棒性提出了极大的挑战。因此，现有用于无人机控制技术还不能完全应用于吊挂无人机上面。

虽然目前对吊挂无人机的研究成果较少，但是针对非吊挂无人机的飞行控制，国内外学者进行了广泛的研究，对此还是有一定借鉴意义的。从经典PID 控制到现代控制理论再到人工智能控制，在理论上和实际型号应用上都取得了一定成果，如表1所示。目前主要的控制方法有：鲁棒H∞控制[14-20]、LQR控制[21-23]、特征结构配置[24，25]、变结构控制[26-28]、MPC控制[29-32]、动态逆控制[33-36]、神经网络[37，38]、模糊控制以及显模型跟踪控制等[39-44]。

图3 货物吊取的原型

图4 无人机对运动物体的吊取

图5 旋翼无人机吊挂负载飞行演示实验

在小型吊挂无人机方面，其概念已经得到初步验证。德雷克赛尔大学自主系统实验室[45]研究并完成了旋翼机自主跟踪、负载吊取、车辆部署的作业。通过悬吊在机架下的吊取装置对整个系统展开了验证。德国的蒂宾根生物控制研究所采用仿真旋翼无人机重点研究了无人机与负载之间的相对轨迹跟踪，并且在仿真环境下实现了对动目标的抓取。上述验证案例均未进行样机的实际试飞试验。

新墨西哥大学计算机科学系[45]设计并实现了基于干扰观测器的旋翼无人机分层控制的自主飞行，提出了一种运动规划方法，用于生成悬挂载荷的旋翼飞行无人机具有最小剩余摆动（无摆动）的轨迹，并通过计算机模拟和室内演示实验初步验证了结果。

不难发现，目前这些系统只是在旋翼无人机系统上增加简单吊取装置来验证整个概念的基本可行性，而无人机吊挂系统是一个多变量、非线性、强耦合、欠驱动的复杂被控对象。无人机吊挂飞行时，吊挂负载的摆动会直接影响到无人机的飞行稳定性。柔性吊挂自身的复合自由度以及其所处的复杂扰动环境使其同现有的具有作业能力的其他无人平台系统相比，具有特殊的控制难点，而且这些难点并不能通过旋翼无人机和吊挂系统各自建模、规划与控制方法的简单组合来解决。这些问题正是相关研究机构的研究重点，且已经逐渐成为了无人机研究领域的一个新热点。但到目前为止，系统性、理论性的研究成果尚未出现。

卡内基梅隆大学研究院[48]在动力学模型建立方面考虑吊挂缆绳的弹性和阻尼特性，推导出一个无坐标系统的动力学模型。经过数值仿真表明，针对非弹性缆绳的情况开发的几何控制器仍然适用于弹性缆绳的情况。文献[49]将吊挂缆绳简化成刚性连接杆，文献[50]研究了吊挂负载对旋翼无人机动力学特性的影响，并讨论了在吊挂负载的影响下旋翼无人机的飞行稳定性及其相应的控制方案。文献[51]研究了因吊挂负载的摆动而引起旋翼无人机系统的稳定性问题，并重点分析了摆动产生的基本条件及原因，以及悬挂点位置、不确定载荷质量等对无人机和吊挂负载耦合运动的影响。文献[52，53]搭建了四旋翼吊挂负载时的三维动力学模型，并研究了吊挂负载的干扰对四旋翼的飞行稳定性的影响。综合上述分析，吊挂点、载荷质量和动力学模型等与吊挂无人机飞行特性密切相联，在加装吊挂装置时要充分考虑其构型及结构参数等引起的整体耦合系统的变化，降低上述因素对飞行稳定性和可控性的影响。

为了保证无人机系统能够在吊挂物摆动时保持稳定的飞行状态，需要对无人机系统的协调规划和控制问题进行研究。在这方面研究做的比较好的是特拉华大学（University of Delaware）的Agrawal等人。相关研究人员对无人机系统装载一个缆绳挂载机器人在搬运货物时二者的协调问题开展了深入研究[54]。挪威科技大学研究人员[55]开发了基于反推技术的非线性跟踪控制器，除了抑制摆动负载的影响之外，控制器还可以补偿未知的恒定风力扰动，通过开环整形滤波器规划无路径来减小悬挂载荷的摆动。瑞士苏黎世大学、美国麻省理工学院Foehn P和Tedrake R等人[56]提出了一种快速轨迹优化算法，并能够将轨迹优化问题转化为带有互补约束的数学程序（MPCC）。美国宾夕法尼亚大学的研究人员基于微分平滑（Differential Flatness）方法设计了针对平面四旋翼无人机吊挂系统的控制器，实现了针对平面四旋翼无人机吊挂系统的轨迹生成和跟踪，并将这种控制放大扩展到三维环境[57]。利用几何控制（Geometric Control）和微分平滑方法，达到了四旋翼无人机吊挂系统几乎全局指数稳定的控制效果[58]。

上述规划与控制方法或许对于特定的模型不确定性参数具有一定的鲁棒性/自适应性，又或许对于单纯的外界干扰具有一定的不确定性。但是，由于动力学模型的不确定性是深入到模型结构的不确定性，因此这些方法即使对于无人机系统的自主控制仍然难以取得较好的控制性能。

在国外研究取得初步进展的同时，我国也开始意识到无人机面向自主任务作业的重要性和迫切需求。中国航空工业集团在2013年成功举办了国际无人飞行器大奖赛，在旋翼组的竞技类比赛中设置的比赛任务中，以运动中舰船间的空中补给为背景，要求无人机在两个移动平台之间实现自主定位抓取，运送和码放物资的作业。以任务完成精准度和完成时间作为考核指标。该比赛吸引了来自新加坡国立大学、清华大学、北航和南航等国内外众多高校研究团队参加。最终，只有中科院沈阳自动化研究所成功抓取全部物资并完成码放作业，同时以总分第一名获得冠军。

此外，近年来国内高校也相继开展了对吊挂无人机的控制研究，取得了一定的成果。中科院沈阳自动化研究所韩建达等人[59]设计了四旋翼悬挂负载系统的滑模控制，验证了对负载摆动和系统不确定性的强鲁棒性以及良好的跟踪控制性能。天津大学鲜斌教授团队针对四旋翼无人机吊挂飞行系统，设计了一种新型控制策略，建立四旋翼无人机吊挂系统的数学模型，将吊挂负载看作由刚性绳悬挂在四旋翼无人机重心位置的质点，通过能量分析的方法设计了针对此系统的非线性控制器。经仿真验证，可以在抑制吊挂负载摆动的同时将四旋翼无人机移动到目标位置[60]。华中科技大学杜沛力等人，针对无人机携带吊挂负载物的系统通过结构分析进行数学建模得到三维空间中四旋翼无人机运动特性与负载物摆动之间关系，提出以二型模糊集合描述该不确定性较多的系统，设计了二型模糊控制器对无人机空间位置及负载物摆动进行控制，通过仿真结果证明了二型模糊控制能达到控制无人机位移及抑制负载物摆动的效果，验证了无人机携带吊挂负载应用的可行性以及面对外界干扰的鲁棒性[61]。

图6 国际无人飞行器大奖赛任务示意图

4 结论

无人机因其独特的优势，越来越受到国内外高度重视。通过上述对吊挂无人机的飞行控制技术的综述不难发现，该技术真正应用在可执行遂行任务上的无人机面临的技术问题依然艰巨。尤其对于吊挂无人机来说，其自身复杂特殊的运动机理将是我们面临的重大难题。就目前发展来看，对于吊挂无人机的研究仍然存在着诸多挑战。但是随着相关技术的不断迭代和成熟，尤其是随着以人工智能为代表的信息技术的突破性进展和广泛应用，无人机必将得到更进一步的发展，并将深刻改变人们的生活方式、改变行业应用模式，也将改变未来战争的形式[62-63]。而对于面向自主任务作业的吊挂无人机来说也必然会有美好的发展前景。

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