無人機（UAV：Unmanned Aerial Vehicle）按照技術特征分類，可分為固定翼無人機、多旋翼無人機、復合翼無人機和無人直升機等等，這些無人機都是通過無線通訊技術及自身控制系統(tǒng)實現(xiàn)來不載人的飛行。大多數(shù)無人機在起飛、作業(yè)、降落的過程中，需要實時搜集和計算大量信息，來維持平穩(wěn)飛行并完成作業(yè)任務。無人機在復雜危險環(huán)境中的控制難度較大，容易被干擾、故障等多類風險因素影響，存在信號丟失、精度差、失穩(wěn)等問題。要在控制自身安全穩(wěn)定的前提下，進一步執(zhí)行靈巧空中作業(yè)任務，就更是難上加難。

在災后廢墟、通訊基礎設施受損等非結(jié)構(gòu)化、無序、混亂條件下，空中作業(yè)需要克服由作業(yè)任務和對象帶來的晃動和質(zhì)心變化等影響，例如抓取和投放物資等。北京航空航天大學“飛行器先進導航與控制系統(tǒng)技術”科技部重點領域創(chuàng)新團隊在負責人郭雷教授帶領下，系統(tǒng)性地提出了復合干擾分離與估計、具有適應可變性能的復合抗干擾控制等方法，突破了仿生優(yōu)化設計、浮動基座變質(zhì)心高精度指向控制等關鍵技術，研發(fā)了一款空中靈巧作業(yè)無人機系統(tǒng)。

(資料圖)

進行風力干擾測試中的無人機

無人機普遍被用在人類難以涉及的環(huán)境，比如高溫高壓等危險、極端、特殊、惡劣場景。在高危環(huán)境中，由于外部情況復雜，操控人員如果想要進行正常的機器操作和視頻記錄，則對無人機采集圖像的穩(wěn)定性要求極高。這就對飛控的抗干擾能力提出了新要求，如果不夠平穩(wěn)，則會出現(xiàn)“果凍”效應。航拍領域中所說的“果凍”效應是由于機身震動過大、減震球不合適等因素造成照片、視頻中出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，由于神似被戳動的果凍而被成為“果凍”效應。

因無人機的機構(gòu)振動導致的“果凍”效應，正是一種典型的飛行干擾。應用郭雷教授的復合精細抗干擾控制方法，綜合分析模型誤差、內(nèi)部噪聲、質(zhì)心偏移以及外部擾動等復合干擾，進而分離識別與抑制補償，使得“靈巧作業(yè)”精準度顯著提高。

既然叫做靈巧作業(yè)無人機，那么其靈巧程度就成了衡量關鍵。在航空航天領域，最有代表性的就是空間非合作目標的在軌抓捕測試。空間非合作目標的在軌抓捕與一般合作目標的抓捕不同，其最主要的特點就是目標具有非合作性——即不具有抓捕所需要的專用接口，并且不提供任何用于對其進行抓捕的有效信息。

團隊受邀參加2021年“中國機器人峰會”和“北京國際科技博覽會”

團隊針對抓捕目標的非合作特性，以抗干擾位姿估計與復合精細抗干擾控制方法為技術背景，研究抓捕非合作目標過程中的目標識別與捕獲控制問題，首次完成了空中非合作目標捕獲測試。團隊余翔教授介紹目前達到了毫米級的末端控制精度，屬于目前已知的國際最高精度。多用于航天領域的“空間非合作目標的在軌抓捕測試”首次在無人機領域完成，這是國內(nèi)無人機領域的一個創(chuàng)新，更是靈巧無人機作業(yè)精度的體現(xiàn)。

未來，在應急救援、感知安監(jiān)等多個領域，靈巧作業(yè)無人機均有廣闊的應用場景。團隊將研究方向從任務需求場景出發(fā)，以系統(tǒng)總體為研究視角，經(jīng)過一體化設計，來提高靈巧無人機的作業(yè)精度。無人機的智能化升級迭代，不斷深入細分領域方向，也必將使得中國無人機在準度、精度、安全上走在全球前列。

專家簡介：王騰，軍事裝備科普專家，陸軍裝甲兵學院碩士研究生學歷，先后在中央電視臺、人民日報從事一線軍事新聞工作，參加策劃并制作多個軍事科技專題。長期對國內(nèi)外高科技裝備、各兵種主戰(zhàn)裝備等方面進行科普研究，先后在《人民日報海外版》、《法制日報》、《科普中國》等平臺發(fā)表文章，獲“國家信息化領導小組”頒發(fā)的先進個人獎項。

出品：科普中國軍事科技前沿

作者：王騰

策劃：金赫

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