强气流扰动下无人直升机自主导航技术发展与展望*

曾庆化,孙克诚,孙长银,刘建业，2,熊 智，2

0 引 言

随着现代科学技术的不断进步，各具特色的航空飞行器应运而生，并逐步发展壮大起来.无人直升机作为一种可自主导航控制运行的不载人旋翼飞行器，是无人航空飞行器中极其重要的一个分支，具有垂直起降、空中悬停、操作灵活等诸多优点，考虑到无人直升机上没有驾乘人员，能够有效地避免操作人员的意外伤亡，极大地降低了执行任务的成本，因此，无人直升机可以布置到固定翼飞行器以及有人飞行器不易飞行、无法飞行或者不便飞行的特殊恶劣的工作环境中.近些年，无人直升机在各个领域广泛应用，成为各国研究和发展的热点之一[1].

②一期沥青混凝土心墙上下游侧面沥青砂浆应采取立模铺筑措施，以保证砂浆结构尺寸，接头部位沥青铺筑厚度与二期沥青心墙铺层厚度一致。

常规单旋翼无人直升机具有结构特殊、气动特性复杂及通道耦合效应明显等特点[2]，其在执行低空任务时，与固定翼飞行器受环境影响的情况完全不同.相比固定翼飞行器，无人直升机飞行速度较小，特别在小速度飞行、垂直起落及悬停时，无人直升机极易受到周围复杂环境影响；同时，无人直升机的多种复杂恶劣工作环境(海面、沙漠、舰面、高山峡谷、丘陵地带等)是强气流干扰的多发地带，其复杂的不确定性给无人直升机带来了巨大的危害.有人直升机在上述的复杂环境中尚可以依赖经验丰富的直升机驾驶员，通过敏锐的观察、有经验的感知和操作控制实现较为安全的直升机飞行，而无人直升机在目前还尚未实现高水平的智能感知、判断和操控，因此，复杂环境中的强气流干扰对无人直升机导航和控制系统的严重安全影响，是当前亟需解决的关键科学问题.

针对该问题，作者所在合作团队进行深入研究，申报并承担了“强气流干扰下无人直升机自主导航与控制理论和关键技术研究”国家自然科学基金重点项目，针对强气流干扰具有的时变性、离散性、区域性和突发性特点，及风切变、紊流和突风等对无人直升机本体干扰的综合效应，开展确保无人直升机飞行安全的自主导航与控制的理论和关键技术研究.

强气流难以准确预测的概念具有相对性，针对不同尺寸、类型、飞行条件的无人直升机，强气流影响的强度和等级也有差异.以中型直升机为例，在悬停或者小速度飞行时，速度大于10 m/s(相当于5级风)的气流干扰，或者在前飞时受到铅垂方向速度大于10 m/s的气流干扰都可认为是强气流干扰.

针对强气流扰动影响的无人直升机自主导航方法，虽然国内外已经开展了研究，但在具体方法的有效性方面还存在诸多不足，需要学者进一步开展系统深入的研究，以实现提升强气流扰动下无人直升机的安全飞行性能的总目标.

1 无人直升机及其自主导航相关技术

强气流作为一种复杂的风场干扰，对无人直升机自身及其自主导航系统影响都很大，抗风场干扰是无人直升机进行自主导航中一个重要的研究课题[13-14].强气流扰动会直接导致无人直升机飞行状态的变化，进而影响导航与控制系统参数.风场扰动具有时变性、突发性等特点，难以预测，大气风场量测的精度又受到飞行状态、系统参数等多种边界条件约束，因此如何获得高精度的风场量测信息，甚至预测未来的风场信息，并利用该风场数据值对无人直升机导航系统和控制系统进行修正，是增强无人直升机抗风场干扰能力、提高导航定位精度的一项关键技术[15].

对40个杂交组合的农艺及经济性状进行配合力方差分析(表2)看出,10个性状区组间的差异均不显著，表明本试验选择的田块地力均等，消除肥力差异，设计合理。组合间差异均达极显著水平，表明这些性状在各杂交组合间遗传差异真实存在。除测验种(父本)的穗行数一般配合力(GCA)差异未达显著水平外，其余的GCA和全部的特殊配合力(SCA)差异均达显著或极显著水平，表明多数性状的GCA和SCA在亲本和组合间存在真实的差异。

行业的变革发展，核心之一就是产品技术和生产工艺的创新研发。中国植物营养与肥料学会副理事长、全国农技推广服务中心首席专家高祥照表示，当前农业对安全、环保、效益的需求不断加大，去产能、提结构的供给侧改革进一步推进，行业面临新机遇和新挑战，新时代下推进农业绿色发展将是主旋律。他表示，企业应积极顺应行业转型升级潮流，通过产品技术的研发以及完善服务的落地推进农业绿色高效发展。

无人直升机的自主导航系统与飞行控制系统(简称飞控系统)的精度和整体性能对于无人直升机任务实现具有极其重要的作用.无人直升机的自主导航与飞行控制研究的主要关键技术包括无人直升机中各状态参数的量测方法、无人直升机机载传感器及其数据融合方法、无人直升机的可靠飞行控制方法、无人直升机的导航路径规划及其策略等多个方面.图1给出了无人直升机分类和任务实现关键技术分布图.

图1 无人直升机分类和任务实现关键技术分布图Fig.1 Key technologies of unmanned helicopter classification and mission realization

从上个世纪50年代开始，美国、英国、加拿大、德国、俄罗斯等国家先后开展了无人直升机相关技术研究.美国的无人直升机以诺斯洛普﹒格鲁门公司研制的“火力侦察兵”为代表，2000年1月，搭载了惯性导航系统、卫星导航系统、光电/红外相机、雷达测距仪等导航系统的“火力侦察兵”原型机RQ-8A成功地进行了首次试飞，取得了良好的效果.此后，美军颁布的2005～2030年《无人机系统路线图》中特别说明将重点推进“火力侦察兵”系列的研究，也促进了美国各大直升机公司进入无人直升机领域.2006年12月，格鲁门公司实现了RQ-8A升级版MQ-8B的首飞，并搭载了战术孔径雷达、多光谱传感器、通信模块、空中监视、通用数据链等子系统.2013年10月，格鲁门公司实现了基于Bell 407本体的MQ-8C的首飞，并且其改进版本在2016年开始生产.

传统的外伸空速管式风速计只能测量单轴或者双轴风场数据，不能满足现在三轴参数输出的需要.

(3)粗镍铁含硫(S)量低。富氧侧吹煤粉熔融还原技术具有比高炉强的脱硫能力。在侧吹炉内，煤在熔池中高温分解时，挥发份中的大部分硫直接进入烟气，而只有很少一部分在向铁渗碳时进入铁液；红土镍矿原料中的硫在熔炼时进入炉渣；由于新工艺为强化熔池熔炼，炉中熔渣被强烈搅拌，铁滴和熔渣得以充分混合，加强了渣铁间的脱硫效果，因此，进入铁的硫，大部分被熔渣所吸收，因此进入镍铁中的硫大为减少，减少脱硫带来的额外费用。

国内无人直升机研制起步相对较晚，始于上个世纪80年代末，在“八五”期间我国多家院校、科研单位开始重视并进行了无人直升机的研制工作.1993年由北京航空航天大学研制的中国第一架共轴式双旋翼无人驾驶直升机“海鸥”首飞成功，该无人直升机总重量300公斤，机上配备了飞控导航系统和遥测系统，可以自主飞行或遥控飞行.1997年，南京航空航天大学研制常规单旋翼无人直升机的“翔鸟”通过技术鉴定，可实现自动控制和远距飞行.2004年底，中航工业直升机所研制了200 kg级单旋翼无人直升机U8，测控距离100千米，2006年，该无人直升机实现首飞.在此基础上，该所发展了500 kg级AV500单旋翼无人直升机，具备人工操纵、自动飞行等多种导航与控制功能，该无人直升机曾在中国天津国际直升机博览会等多个国内重要航展上静态展示，并于2015年首次在内蒙古阿拉善地区开展了高原试飞，拥有良好的飞行品质.目前，国内外的科研单位已经将无人直升机的研制重点从简易的自主飞行逐步转向不确定性环境下的强适应性研究，具体涉及总体、气动、动力学、旋翼、传动、飞控、导航等众多方面，其中导航系统是飞行控制的重要信息源，也是无人直升机研制的重要研究方向之一.

无人直升机自主导航系统与飞行控制系统，两者相辅相成，自主导航系统是强气流干扰下无人直升机安全飞行的重要保证，自主导航系统的性能直接决定了无人直升机在强气流扰动下的平稳飞行和精确定位的效果，是顺利完成任务的基础.

在美国各州，由药师与其他医药卫生领域专业人士作出鉴别需要提供MTM的患者群[16]。癌性疼痛患者由于疾病本身的特点，不适宜在上级医院接受抗肿瘤治疗，多需要转诊至基层医院。而癌痛治疗中的常用的阿片类药物、抗抑郁药物等药物，都属于高危药物且费用较高，加之镇痛药物管控复杂和镇痛装置使用特殊性导致的患者依从性差要因，以上癌痛管理的用药的特点决定了癌痛患者MTM服务的重点患者群。

图2给出了强气流扰动下无人直升机导航与飞控系统的工作流程示意框图.无人直升机由于缺少驾驶员，因此仅能通过传感器信息来综合分析，为此除了配有惯性导航系统、全球卫星导航系统、气压计、磁力计外，还采用图像导航系统、激光雷达等多种导航传感器进行辅助.针对无人直升机的自主导航系统方案，目前广泛采用的是多信息组合导航系统，通常根据实际情况和需求选用惯性导航系统、全球卫星定位导航系统(GPS/北斗等)、多普勒导航系统、磁力计、激光雷达、大气数据系统、图像导航系统等进行优化组合，实现无人直升机的安全飞行.

图2 强气流扰动下无人直升机导航与飞控系统工作流程示意图Fig.2 Navigation and control workflow of unmanned helicopter under strong air disturbance

2 大气扰动对无人直升机及其导航系统的影响

无人直升机是一个多变量、非线性、强耦合的动力学系统，极易受到气流干扰，变化风场是造成无人直升机飞行任务失败的主要因素之一，强气流干扰会对无人直升机飞行带来参数时变、模型不确定和非线性等影响.

大气紊流是影响飞行品质的重要气流扰动之一，靠近地面的紊流边界层具有明显的各向异性特点.Dryden紊流模型和Von Karman紊流模型是航空航天领域最重要的两种紊流模型，在美军规范《MIL-F-8785B》中给出了这两种紊流模型.图5是大气紊流的示意图.

目前无人直升机飞行仿真实验所构建的仿真环境基本是以平静大气为主，较少加入风场干扰，而真实的飞行环境中，强气流扰动是影响无人直升机飞行安全的主要因素之一.据国际民用航空组织的统计数据表明，每三次由于天气原因的飞行事故中，就有一次是风切变、大气紊流等大气扰动造成的[3].因此，为了更真实地模拟飞行环境，需要建立与真实气流场相似的风场扰动模型.

由于复杂的风场扰动模型难以精确反映强气流扰动对无人直升机及其导航系统的影响，为此，研究风场扰动对无人直升机的影响时，大气风场基本物理参数之间的关系通常忽略了部分次要影响因素的[4]，后期，复杂的气流模型也会逐步应用在扰动分析中.风切变、大气紊流和离散突风是影响直升机飞行安全的主要大气风场扰动.早期国外针对强气流扰动出现过不同大气风场扰动的基本模型(见表1)，这些均是大气扰动的经典模型，目前的大部分研究也在这些模型的基础上进行.

首先，要提高我国政府对权责发生制政府综合财务报告编制的重视程度，切实了解权责发生制政府综合财务报告编制的重要性。加大对综合财务报告编制的研究力度，加大资金的投入，并设立专门的研究机构，聘请专业的人员对权责发生制政府综合财务报告编制理论进行研究。同时，财政部门还应该不断发挥创新精神，不断引进先进的成果，且要对各级政府的综合财务报告进行统一，实现综合财务报告编制的规范化。

选取2017年2月~2018年2月我院接收的88例秋季腹泻患儿,将其随机分为观察组与对照组,各组44例,观察组男23例,女21例,年龄7个月~5.6岁,平均年龄为(2.86±0.43)岁;对照组男24例,女20例,年龄6个月~5.5岁,平均年龄为(2.89±0.46)岁。所有患儿及其家长均自愿签订知情同意书。两组患儿年龄、性别等一般资料比较(P>0.05)。

表1 大气风场扰动基本模型Tab.1 Basic model of atmospheric wind disturbance

2.1 风切变对无人直升机的影响

风切变是指大气空间中不同两点之间风的矢量(风速或风向)差值.低空风切变是国际航空界公认的影响飞机起飞和着陆的主要因素之一，被称为航空界的“无形杀手”.风切变具有形态复杂、尺度小、时间短等特点，难以实现风场状态预测.

根据风矢量相对于无人直升机的方位不同，风切变可以分为顺风切变、逆风切变、侧风切变和微下冲气流四种形式.对无人直升机影响较大的风切变形式较为复杂，需要建立单独的模型，例如微下冲气流模型、低空急流模型、锋面风切变模型等[5].其中微下冲气流最为复杂，它是以垂直风切变为主要特征的综合性风切变，是由存在于一个有限区域内的垂直运动下降气流与地面撞击后转向，形成与地面平行的水平风切变组合而成的，因此微下冲气流是包括水平风和垂直风的三维风切变[6].70年代，美国气象学家藤田教授首先从气象上揭示了低空风切变的危险性，定义了“微下冲气流”的概念[7].80年代Woodfield和Ivan提出的微下冲气流的涡环原理模型及微下冲气流的简化流体动力学模型，是一种活跃至今的模型化方法[8].图3是微下冲气流的示意图.

截排水措施：因地制宜，因势利导，解决水力侵蚀问题；以较少的工程措施投入，发挥最大的治水效果；坡顶截水与地表排水进行截流与引流，场地内修筑排水系统将地表水引流出场外，汇集到总清污分流排洪渠。

图3 微下冲气流示意图Fig.3 Sketch map of micro-downburst

在无风或者均匀风的情况下，直升机的着陆下降航迹首先为微向下弯曲的弧线，在接近地面3～4 m高度上作短时间悬停，然后垂直下降着陆[9].而当直升机受到风切变的影响，在整个下降过程中，空速、地速、迎角、空速倾角等都在不断变化，这是导致风切变下无人直升机难于操纵的主要原因.

如图4所示，当无人直升机在着陆过程中遭遇微下冲气流时，首先进入负风切变，此时空速不断增大，为了保持空速、高度稳定，无人直升机的主旋翼拉力也会随之增大，因此使直升机航迹上偏；随着下降过程中的逆风不断减小，接着进入下降气流中，拉力减小，航迹急剧下偏；随后进入顺风增强区域，航迹会持续下偏，极易造成无人直升机的失控而坠毁[10].由于微下冲气流的变化快、范围小、高度低等特点，使直升机空速发生快速变化，再加上无人直升机操纵存在延迟，在俯仰、滚转、偏航等方面容易出现复杂的振荡变化，相比于固定翼飞机，操纵修正更为困难，很难平稳地在强气流环境下操纵直升机.

图4 微下冲气流中直升机航迹变化示意图Fig.4 Track change of helicopter in micro-downburst

2.2 大气紊流对无人直升机的影响

对我来说，比较典型的助攻时差催眠案例有两个。一个是去年在加州沙漠公路上试驾的BMW M760Li，V12发动机凶猛起来倒是异常给力，可谁让它首先是一辆武装到牙齿的BMW 7系呢，“开宝马，坐宝马”的舒适享受是源自骨子里的，让我困得心服口服。而另一个就是这次试驾的全新林肯航海家Nautilus（简称“全新航海家”）。

图5 大气紊流示意图Fig.5 Sketch map of atmospheric turbulence

Dryden模型采用高斯分布的功率谱密度函数进行构造，只能描述平稳情况下一个紊流团中的能量分布.Reeves于1969年最先提出描述大气紊流的非高斯模型，该模型在速度增量方面的模拟不够真实.后来，Dryden根据大气紊流的形式提出了一种基于指数型的纵向相关函数模型，解决了速度增量方面的模拟真实性问题，然而其存在模型无穷远处的渐近性质不符合紊流理论的问题.在该模型的基础上，荷兰Delft大学的研究人员对大气紊流模型进行改进[11-12]，提出了可以进行时域仿真的Dryden模型.另外一种常见的描述大气紊流的Von Karman模型与Dryden模型不同，其根据大量的测量和统计数据建立大气紊流的频谱函数，再推导出相关函数，因此该模型的频谱分布比较符合大气紊流的实际情况，与实验数据一致性更好，更能反映大气紊流特性.但Von Karman模型的时间频谱函数无法共轭分解，所以难以在时域内实现，不能应用于飞行实时仿真.

大气紊流的气流方向极不稳定，相对气流速度会减小，并在正负值(逆风/顺风)之间波动，直升机机身的阻力就会随着减小，使得直升机机身出现一个前倾的作用力，造成无人直升机的前冲.相对于固定翼飞机，直升机的旋翼力是向上的，当正前方有较强紊流扰动时，机身的前部负压大，后部负压小，同样会导致直升机前冲，甚至坠毁.

2.3 离散突风对无人直升机的影响

离散突风作为主要的大气运动现象之一，同样会引起直升机飞行中的剧烈运动，但因其影响时间较短，相对于风切变和大气紊流而言，对无人直升机的影响较少，相关研究文献也相对较少，关于离散突风对无人直升机的影响研究还需要更多的理论支持.相比于大气紊流，离散突风具有各向同性特点，即当无人直升机前飞速度增大到一定值后，在空间任一位置，突风的速度变化很小，在各个方向上的强度是相等的.

此次发布会推出的霍尼韦尔即热净水机不仅吸引了众多消费者的关注，同时，还获得了明星夫妇田亮和叶一茜的认可。在发布会现场，已是两个孩子妈妈的叶一茜表达了自己对“爱之温度”（母婴型）即热净水机的喜爱与认可：“即热式加热设计实现‘一键冲奶’，是一款真正能让妈妈们省心、放心的‘冲奶神器’。”而“超级奶爸”田亮也表示十分期待智能家居新时代的到来，相信霍尼韦尔与京东此次的合作将为每个家庭带来更健康、更智能的生活方式。

在飞行品质分析、结构强度校验和飞控系统设计中，离散突风模型最多使用的是(1-consine)模型.在80年代前，广泛采用的是美国军用标准《MIL-F-8785B》中的全波长(1-consine)模型.而在后面的新军用标准《MIL-F-8785C》中，采用了优化的半波长(1-consine)模型.与全波长(1-consine)离散突风模型相比，半波长(1-consine)离散突风模型使用更为方便灵活.由于离散突风主要由突风尺度和突风强度决定，这两个参数还决定突风梯度，在许多研究中，也将离散突风看成风切变的一种形式进行讨论.

综上，虽然针对强气流对无人直升机及其导航系统的影响已经进行了大量的研究，但对该情况下的视觉导航影响分析还较少.另外对风场扰动模型的研究多为二维固定模型，与实际的风场还存在一定的差距，缺少飞行动力学仿真真实度，难以适应目前工程化需求.且针对强气流扰动对无人直升机影响的研究仅单纯研究强气流扰动和直升机旋翼扰动分别对无人直升机的影响，当风场扰动和旋翼共同存在时，会产生耦合效应，给直升机的响应带来不确定性，难以判断无人直升机的准确位姿信息.针对强气流对卫星导航系统与视觉导航系统的影响研究还有待继续深入.

3 基于无人直升机的大气风场量测、估计及预测技术研究

前文针对不同类型强气流扰动对无人直升机的影响进行了归纳和总结.无人直升机飞行过程中首先需要确定所处的风场环境情况，才能采取针对性的飞行策略.国内外学者也针对强气流风场的确定方法进行了大量的研究.

当前各国的无人直升机种类和样式繁多(包括常规单旋翼式、共轴双旋翼式、多旋翼式、碟形轴对称式等)，按照尺寸和重量可分为大型、中型、小型和微型等几类，通常将起飞重量在1 000 kg到2 000 kg的无人直升机称为中型无人直升机.

在上述主要大气风场扰动中，由于离散突风持续时间较短，对无人直升机没有持续性的干扰影响，因此，总体来说风切变和大气紊流对无人直升机的飞行安全影响更为严重.下面重点针对风切变和大气紊流的特点、模型构建以及它们对无人直升机的影响进行详细说明.

3.1 基于无人直升机传感器的风场量测方法

基于机载测风传感器量测风场信息的手段主要分为被动式和主动式两大类，传统的被动式测量装置有风速计、风向标和探空仪，主动式测量装置有测风激光雷达、声雷达、电磁波雷达等[16].综合来看，较为适合机载测风的传感器设备为机载测风激光雷达.表2列出了常用的无人直升机风场量测方法及其优缺点.

表2 常用风场量测方法及其优缺点Tab.2 Commonly used wind field measurement methods and their advantages and disadvantages

除了美国的“火力侦察兵”系列无人直升机外，英国的“斯普莱特”、奥地利的S100、俄罗斯的“猫头鹰”以及日本的RMAX都是国外较为知名的无人直升机.

机载声雷达可以定向发射固定频率的强声脉冲，通过接收声脉冲散射回波并比较发射的声波和返回的声波的频率差异来计算风向、风速信息.由于声波在大气介质中传播衰减很大，所以声雷达的探测距离有一定的限制.

X波段雷达是利用大气风场对电磁波的散射作用进行气流扰动探测的遥感设备，X波段相控阵雷达发射的电磁波在大气传播过程中，由于大气折射率的空间不均匀分布而产生散射，其后向散射能量被X波段雷达所接收，X波段雷达具有速度快、空间分辨率高等特点，能实时提供大气的三维风场信息，但X波段雷达设备的体积较大，目前难以应用于机载设备.

测风激光雷达采用激光作为探测介质，相比微波、电磁波雷达，激光雷达采用的光波波长更短，具有时空分辨率高、低空探测性能好、单色性好、便携性好等优势，因此成为一种有效探测大气风场信息的测量手段.1995年，NASA多个实验室共同开发研制的机载大气风场相干测量传感器是一种利用机载脉冲多普勒激光雷达扫描测量对流层和同温层三维风场的测量系统[17].2001年，法国国家科学院和德国航空太空中心合作开发的基于TEA CO2激光器的多普勒测风激光雷达，该激光雷达系统采用10.64 um波长激光器，主要用于测量中尺度大气风场，激光的发射和接受在飞机底部，可以在与天底角夹角30度范围内扫描，测得无人机飞行高度以下的三维风场[18].2009年，山东气象局的研究员结合激光雷达和其他探测工具给出了青岛附近海风的日变化和三维垂直结构[19].2014年，美国辛普森气象协会等利用机载多普勒激光雷达对Monterey海湾和Salinas峡谷附近的海风和复杂的地形风进行探测，并将结果用于台风的研究[20].

3.2 基于无人直升机的风场滤波估计方法

基于风场滤波模型及直升机状态信息的风场估计方法一般有两种，第一种是根据大量的大气量测数据和经验提取风场模型，再利用所建模型进行风场滤波估计[21-22].第二种方法基于风速三角形计算的方法来估计风场干扰，该方法不依赖于大量的风场数据，而是利用地速、风速和空速之间的速度矢量三角形关系获得风速信息，计算较为简单且实时性好，其估计精度与传感器量测精度、滤波方法有关.准确的风场估计可以大大提高飞行器适应环境变化的自主飞行能力[23]，为自主导航和控制提供必要的信息条件，对无人直升机的安全飞行有着重要的意义.

2.1.2 对照品溶液的制备 精密称取干燥至恒重的葛根素对照品，加甲醇制成每1 mL含0.1 mg葛根素的溶液，摇匀，即得对照品溶液。

由于提前构建风场模型的方法需要大量的先验信息，难以满足实时性的要求，目前机载风速测量通常采用第二种方法，是基于惯性导航系统或全球卫星系统提供的地速与大气数据系统提供的真空速，利用空速、地速、风速构成的矢量三角形关系解算风速，此种方法的原理框图如图6所示.空速、地速、风速三者构成的矢量关系[24]如图7所示，其中，地速是无人直升机飞行时相对于地面运动的速度[25]，可以通过机载导航系统获得.空速是指直升机相对于周围空气运动的速度，一般直升机飞行速度小于400 km/h，属于低速飞行，一般认为没有空气压缩，空速可以通过大气数据传感器测量得到[26].

图6 三维风速测量原理图Fig.6 The principle of 3 dimension wind speed measurement

2008年，德国布伦瑞克技术大学航空航天系统研究所成功研制气象微型无人机系统，基于机载大气传感器测量三维风场[27].2014年，国防科技大学针对风场条件下具有角度约束的无人机航迹规划问题,提出了一种基于风场估计的在线航迹规划方法[28].2017年，中国民航科学技术研究院提出基于民航客机的飞行状态参数的扰动风场估计方法，从力学分析的角度进行扰动风场估计[29].2018年，南京航空航天大学的学者提出了基于导航与飞控系统信息融合的大气数据估计方法，结合机载多源导航与控制数据实现大气数据全参数的解析计算[30-31].这些方法和思路对直升机的风场估计方法具有一定的借鉴作用.

图7 空速三角形原理示意图Fig.7 Schematic diagram of air speed triangle

4 总结与展望

针对无人直升机在强气流扰动环境中的应用，国内外专家学者已经开展了大量的研究，如何在已有研究的基础上，结合新算法，开展无人直升机强气流抗干扰及自主导航方法研究是无人直升机的重要发展方向之一.本文针对强气流下无人直升机的安全飞行需求阐述了强气流干扰下无人直升机自主导航方法的相关研究.结合对无人直升机的相关内容的阐述，分析了对无人直升机影响严重的三种扰动气流的特点和模型，并在此基础上，分析了这些类型的强气流扰动对无人直升机的影响效果.接着概述了基于无人直升机的大气风场量测方法，并分析了当前无人直升机上具有可行性的大气风场滤波估计技术，为利用测量估计的风场信息对无人直升机的导航与飞控系统进行反馈校正奠定基础.

强气流扰动的非线性和鲁棒性对无人直升机的导航与飞控系统存在着一定的影响，但相关研究的报道仍然相对较少.美国的“火力侦察兵”也出现过因强烈气流扰动而发生事故的报道，该问题是国内外无人直升机走向工程实用必须解决的基础核心技术.因此，在未来的发展过程中需要重点开展如下研究:

1) 深入研究无人直升机飞行运动模型及参数不确定性，进一步提高模型的精确度.2) 研究新型大气风场量测方法，提升无人直升机的自身状态及外界环境感知能力，实时获取更加真实的大气扰动信息.3) 基于大气扰动模型有效感知气流干扰下无人直升机的导航状态信息，采用多源信息融合的导航方法提高量测精度、可信度和可靠性，确保强气流扰动下的安全自主导航.4) 在已知风场估计信息的条件下，研究满足环境限制和无人直升机机动性能的最优飞行轨迹，将风场下的航迹规划问题向安全飞行边界条件进行转化，得出风场下最为安全和较短理想耗时的三维飞行策略.

综上所述，目前强气流扰动下无人直升机的自主导航方法的研究虽然已经有了一些成果，但是研究的广度和深度都略显不足，国内大气扰动下无人直升机的安全飞行是一个需要长期、深入研究的课题，研究前景也十分广阔.在实时三维风场模型建立、状态环境感知方法、适应强气流扰动的多源融合导航算法、智能容错算法、自适应飞行控制、航迹规划、智能决策等领域仍然有不少问题值得进一步研究.本文通过对本领域研究进展的分析讨论，希望能够给相关研究人员带来新的信息及研究思路，共同促进强气流扰动下无人直升机自主导航领域的深入研究与繁荣发展.