第12章 空中机器人

ching

2019/09/02 发布于 教育 分类

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1. 机器人引论 第12章 空中机器人
2. 第12章 空中机器人 o 12.1 无人机的发展历程 o 12.2 无人机的分类 o 12.3 无人机的应用
3. 12.1 无人机的发展历程 p 无人机的概念最早是由著名的物理学家特斯拉(Tesla)在19 世纪末提出的。他想发明一种“可以通过远程遥控改变飞行 方向,或者按照操作员的意愿爆炸,并且不会出现错误”的 飞行器,但当时只被人视为天方夜谭。 p 美国发明家斯佩里(Sperry)发明了一架被称作“flying bomb”的无人飞行器,并于1916年9月12日试飞,被装上136 公斤炸药成功地进行了攻击目标试验,实现了特斯拉对无人 机的设想。 p 1918年,美国的凯特林(Kettering)又研制出一种无人机, 并取名为“Kettering Bug”。 p 1933 年1 月,英国政府成功研制了名为“Fairey Queen”无人 靶机,用于验校战列舰上的火炮对飞机的攻击效果。
4. 12.1 无人机的发展历程 o 美国海军飞机制造厂(Naval Aircraft Factory)在1941年生产了 一款名为“Project Fox”的无线电遥控攻击无人机。这款无人机 上安装了电视摄像头,它的控制端—TG-2载人飞机上安装了电 视屏幕,遥控人员可以看到无人机飞行的景象,使得遥控更加 准确。 o 二战结束后,随着航空技术的飞速发展,无人机的性能得到进 一步提升,同时一些具有新型功能的无人机也逐渐问世,例如 无人诱饵机、无人侦察机、专门用于探测核辐射强度的无人机 等等,无人机家族也逐渐步入其鼎盛时期。 o 时至今日,世界上研制生产的各类无人机已达近百种,并且还 有一些新型号正在研制之中。随着无人机技术的普及,无人机 也逐渐被应用到民用领域,为人们的生活提供了极大的便利。
5. 12.1 无人机的发展历程 “Kettering Bug” “flying bomb” “Larynx”
6. 12.1 无人机的发展历程 o 纵观无人机发展的历史,大致经历了以下五个阶段: 阶段 时间 用途及特征 一 1900s~1930s 主要用作空中鱼雷对目标进行轰炸,控制方式为陀螺仪、 气压计、自动驾驶仪等机载设备,不可回收 二 1930s~1960s 主要用作防空兵器性能鉴定和部队训练的靶标控制方式为 无线电遥控,可多次重复使用 三 1960s~1980s 除用作靶机外,大量用作无人侦察机和无人诱饵机 四 1980s~1990s 除了广泛用于战场监侦、电子对抗、目标指示、战果评估、 通信中继等军事用途外,还被用于大地测绘、资源探测、 空气采样、环保监视、交通管理等民用领域。此期间无人 机的飞行控制与飞行管理也有很大改进,实现了超视距控 制和半自主飞行 五 1990s~至今 无人机技术获得飞跃式发展,智能化和自主化程度大大提 高,多无人机协同合作也逐渐成为现实
7. 12.2 无人机的分类 12.2.1 按无人机应用领域分类 p 按照其应用领域分类可分为军用无人机和民用无人机: n 军用无人机包括靶机、无人侦察机、无人战斗机、无人诱饵 机、电子干扰无人机等。也可按任务的周期长短分为战术无 人机和战略无人机。战术无人机(TUAV)的主要功能为侦察、 搜索、目标截获、部队战役管理与战场目标和战斗损失的有 效评估等,任务的周期较短;战略无人机(SUAV)主要承担对 敌方部队动向的长期跟踪、工业情报及武器系统试验监视等 ,所执行的任务往往周期较长,具有长远的战略意义。 n 在民用方面,无人机已经被运用到通信中继、公共安全、应 急搜救、农业喷药、环保监测、交通管制、气象预测、影视 航拍等多个领域。
8. 12.2 无人机的分类 12.2.2 按无人机机翼布局样式分类 p 按照机翼的布局样式可分为传统固定翼式无人机、扑翼 式无人机和旋翼式无人机三种: (1)固定翼式无人机 固定翼式无人机的机翼主体是固定的,由动力装置产生推 力或拉力,由固定机翼产生升力。其中大部分无人机的外观跟 普通飞机的外观相似,在机身两侧中部和后部分别装有机翼和 尾翼,头部装有螺旋桨,也有一部分无人机因功能需要而具有 独特的外观。典型型号是在美国海军陆战队中被广泛使用的 “Dragon Eye”无人机以及“Black Widow”无人机。
9. 12.2 无人机的分类 n “Dragon Eye”属于固定翼式无人机,主要执行军事侦查任务,是 当前投入使用的最小的无人机,它能提供相当于营级指挥需要的 信息。每套“龙眼”系统包括3架无人机和1个地面控制站。无人 机由2名士兵发射后,会按照事先编好的GPS路径点飞行。一旦进 入目标区域,“龙眼”就会使用自身携带的传感器收集信息并将 图片传回到地面控制站。 • • • • • 机体重量:2.3kg 飞行高度:91~152m 翼展长度:1.1m 续航时间:30~60min 飞行速度:56km/h “Dragon Eye”无人机
10. 12.2 无人机的分类 n “Black Widow”,是AeroVironment公司为美国国防预先研究计划 局的原创微型无人机技术计划研制的第一种微型无人机。“Black Widow”头部装着螺旋桨,由电动机驱动,通过一对锂电池供电, 后面装有操纵面。“Black Widow”由肩扛式容器气动发射,容器内 装有控制板以及使操作员能够观察到来自摄像机图像的目镜。 • • • • • • • • • 飞翼重量:50g 最大尺寸:15cm 飞行距离:>1km 续航时间:1h 飞行高度:244m(800ft) 螺旋桨效率:82% 最大速度:64km/h 推进系统重量:110mg 飞行控制系统重量:2g “Black Widow”无人机
11. 12.2 无人机的分类 (2)扑翼式无人机 扑翼式无人机是以仿生学原理为基础,通过模仿飞行 生物(例如苍蝇、蝙蝠等)的外观而设计的无人机,这种 无人机在飞行时通过机翼的上下扑动产生升力和向前的推 进力,通过“翅膀”与尾翼的配合改变飞行航向,就像飞 行生物一样。由于扑翼产生的动力有限,因此这种无人机 多为微小型无人机。典型型号 “MicroBat”。
12. 12.2 无人机的分类 n “MicroBat”是由加利福尼亚理工学院和AeroVironment公司联合研 制的一种仿生物扑翼飞行器。其机翼由微电子机械系统(MEMS)技 术加工制作而成,振动频率20Hz,由无线电遥控方向舵、升降舵 以产生飞行推力,通过可反复充电的锂电池供电。“MicroBat”可 携带微型摄像机及其下行数据链路或声学传感器,在军事侦查、 目标指示等领域上有广泛的用途。 • 机体重量:14g • 翼展长度:23cm • 续航时间:22min45s “MicroBat”无人机
13. 12.2 无人机的分类 n 2011年4月,德国Festo公司研制的一款名为“SmartBird”的仿生扑 翼飞行器在德国汉诺威工业博览会上展出。外壳采用聚氨酯泡沫 和碳纤维材料构成,十分轻便,躯干内装设有充电电池、发动机 、变速箱、曲柄轴和电子控制器,两翼配有双向无线信号收发装 置,能对飞行进行即时调整。它的机翼由Compact 135 无刷电机驱 动,同时通过扭转伺服电机调整机翼的弯曲角度以获得所需的升 力。尾巴不仅能产生浮力,也能充当起落架和方向舵的角色,尾 部细微的左右摆动会带动纵向轴旋转,从而带动躯干和两翼改变 飞行方向。 • 机体重量:450g • 翼展长度:1.96公尺 • 续航时间:22min45s
14. 12.2 无人机的分类 (3)旋翼式无人机 旋翼式无人机的机翼安装在机身的上方,通过具有特 定气动外形的机翼高速旋转获得升力并改变位置和姿态, 类似于直升机。根据安装的机翼数量分为单旋翼无人机和 多旋翼无人机。四旋翼飞行器目前最为流行的是无人机。 顾名思义,这种飞行器具有四个旋翼,四个旋翼大小相同 ,位置分布对称,通过调整不同旋翼之间的相对速度来调 节不同位置的升力,并克服每个旋翼之间的反扭力矩,就 可以控制飞行器的姿态,完成各种机动飞行。
15. 12.2 无人机的分类 “Mesicopter” 大疆四旋翼无人机
16. 12.2 无人机的分类 12.2.3 按无人机的控制方式分类 (1)基站控制 基站控制式无人机也称为遥控无人机(Remotely Piloted Vehicle,RPV)。在无人机飞行的过程中,需要地面 基站的操作员持续不断地向被控无人机发出操作指令。从 本质上来看,基站控制式无人机就是结构复杂的无线电控 制飞行器。早期的无人机大都采用这种控制方式,由于无 线电控制技术在空间上的局限性,现代无人机已经很少采 用纯粹的基站控制方式来实现无人驾驶。
17. 12.2 无人机的分类 (2)半自主控制 20 世纪80、90 年代出现的“Pointer”、“Sky Owl”无人 机系统采用的是基站导航和预先设定导航程序相结合的控 制方式,这是无人机半自主控制的最早形式之一。半自主 的无人机控制方式可以描述为“基站可随时获得无人机的 控制权,并且在飞行过程中某些关键动作需由基站发出指 令,如起飞、着陆等,除了这些关键动作,无人机可以按 照事先的程序设定进行飞行和执行相关动作”。
18. 12.2 无人机的分类 (3)完全自主控制(智能控制) 完全自主控制无人机又称为智能无人机,可以在不需 要人工指令的帮助下完全自主地完成一个特定任务。一个 完整的智能无人机系统具备的能力包括自身状态的监控、 环境信息的收集、数据的分析及做出相应的响应。
19. 12.2 无人机的分类
20. 12.2 无人机的分类 我国学者综合国内外的研究,根据国内无人机行业及学术 研究的发展,提出一种自主控制的能力分级: 等级 特征 0 完全结构化的控制方案和策略,对自身和环境变化没有做出反 应的能力(自动控制) 1 能够适应对象和环境的不确定性,具有变参数、变结构的能力 2 具有故障实时诊断、隔离和根据故障情况进行系统重构的能力 3 能够根据变化的任务和态势进行决策和任务重规划的能力 4 具有与其他单体或系统进行交互、协同的能力 5 能够自学习,具有集群自组织协调的能力
21. 12.2 无人机的分类 12.2.4 按无人机的性能指标分类 (1)按机体重量分类 不同的无人机机体重量差别很大,按机体重量分为微型、轻型 、中型和重型和超重型五个等级: 类别 重量 典型型号 微型 <5kg “DragonEye”、“黑寡妇”、“MicroBat”、 “SmartBird”、“Mesicopter” 轻型 5~50kg Aerosky,RPO Midget,Luna,Dragon Drone 中型 50~200kg Raven,Dragon Warrior、Crecerelle 、Pioneer 重型 200~2000kg Hunter、X-50、A 160、Predator、Herron 超重型 >2000kg Darkstar、Predator B、Global Hawk、X-45
22. 12.2 无人机的分类 (2)按航程和续航时间划分 类别 最大飞行时间 最大航程 典型型号 近程 <5h <100km SilentEyes、FPASS (Desert Hawk)、Pointer、Dragon Eye 中程 5~24h 100~1500km Shadow、Sperwer、Fire Scout、 Crecerelle、LEWK、Silver Fox 远程 >24h >1500km A 160、Global Hawk、GNAT、 Herron
23. 12.2 无人机的分类 (3)按机翼载荷量划分 所谓机翼载荷量,是指机体重量与机翼面积的比值。由小到大 可分为以下三类: 类别 最大飞行时间 典型型号 低载荷 <50kg/m2 RPO Midget、Silver Fox、Pioneer、 Luna 中载荷 50~100kg/m2 Neptune、GNAT、Shadow、X-45 高载荷 >100kg/m2 LEWK、Sperwer、Hunter、Global Hawk
24. 12.2 无人机的分类 (4)按发动机类型划分 无人机使用的发动机主要有涡扇发动机(Turbofans) 、活塞发动机(Piston)、转子发动机(Rotary)、涡轮螺 旋桨发动机(Turboprop)、电动机(Electric)等。最常用 的发动机类型是电动机和活塞发动机。通常,微型和轻型 无人机使用电动机较多,大中型无人机和无人战斗机使用 活塞发动机较多。
25. 12.3 无人机的应用 12.3.1 无人机在军事领域的应用 无人机最初就是针对军事应用而设计的,随着无人机技术 的发展,无人机性能和功能日趋强大,在军事领域当中的应用 越来越广泛。 (1)靶机 靶机是指可以模拟各种飞机和导弹的飞行状态和攻击过程 的飞行器,主要是用来为各种导弹、战斗机、地面防空和雷达 设施的训练和测试提供靶标,以鉴定武器的性能和训练武器的 操作人员,也可用于研究空战和防空战术。
26. 12.3 无人机的应用 总参60所研制的S-400靶机 QF-16靶机
27. 12.3 无人机的应用 (2)无人侦察机 无人侦察机是指借助机上电子侦察设备,以获取目标信息为 目的的无人机。它主要是用于战略、战役和战术侦察以及战场 监视,为部队的作战行动提供情报,使战场指挥官及时掌握战 场情况,制定合适的作战计划,为取得战斗的胜利奠定基础。 美国“全球鹰”无人机 美国“蜂鸟”无人机
28. 12.3 无人机的应用 (3)无人战斗机 无人战斗机又被称作攻击无人机,是无人机技术与战斗机结合 所构成的一种全新的武器系统。 正在进行空中加油的“X-47B”无人机 美国“捕食者B”
29. 12.3 无人机的应用 (4)电子对抗无人机 电子对抗无人机按照功能可分为无人诱饵机、电子干扰无 人机和反辐射无人机。在战争中,战场信息十分重要,特别是 在当今时代,电子信息技术的发展使得军队的电子化程度大大 提高,以争夺电磁频谱控制权(制电磁权)为目的的电子信息 战已然成为战争中一种主要的作战形式,电子对抗技术的发展 具有重大的意义。因此电子对抗无人机在未来战争中会有广泛 的应用前景。
30. 12.3 无人机的应用 “BQM-74C”无人诱饵机 “MALD”小型空射诱饵干扰无人机 “ADM”无人诱饵机 “火蜂”无人干扰机
31. 12.3 无人机的应用 12.3.2 无人机在民用领域的应用 (1)农业喷药 无人机的出现使得喷药作业由传统的人工喷药和机械装备 喷药方式逐步向无人机高空喷洒作业方式转变。无人机喷药作 业相对于传统的喷药作业方式有很多优点:它的作业高度低, 飘移少,可空中悬停,无需专用起降机场,喷洒均匀,防治效 果好,远距离遥控操作,避免了喷洒作业人员暴露于农药的危 险,提高了喷洒作业安全性。同时,节省药量和水量,作业效 率高,在很大程度上降低了农业生产成本,提高了生产效率。
32. 12.3 无人机的应用 我国系统研究微小型无人机航空施药喷雾技术开始于2008 年, 针对单旋翼无人机低空低量施药技术进行研究,由国家863 计划 项目资助,目前已经产生了一批具备自主研发能力的单位和自 主研发的产品和成果。 工作中的喷药无人机
33. 12.3 无人机的应用 (2)航拍 航拍是指以无人机作为空中平台,通过机载遥感设备,例 如数码相机、红外扫描仪、磁测仪等,获取周边信息,通过计 算机处理合成图像或视频,是无人机另一大主要民用领域。 正在进行航拍的无人机
34. 12.3 无人机的应用 (3)灾害救援 p 建立通信中继:当灾害发生导致受灾地区通信设施受到破坏 时,可以在无人机安装无线电通信设备,建立临时通信中继 。由于无人机机动灵活,成本较低,安装通信设备工序也并 不复杂,因此可以迅速地构建应急无线局域通信网,实现灾 区与救灾中心的有效联系,从而为救灾的顺利开展赢得宝贵 的时间。 p 采集灾区信息:当自然灾害发生后,在第一时间取得灾区的 受灾信息非常重要。当救援人员无法进入受灾地区时,可以 在无人机上配备多媒体采集系统,采集灾区的视频、音频数 据,进行编码压缩并传回指挥中心。
35. 12.3 无人机的应用 汶川地震后无人机拍摄的北川灾区图像
36. 12.3 无人机的应用 (4)环境监测 由于无人机是在低空飞行,使用无人机进行环境监测可以 很好地弥补人工调查和卫星遥感拍摄两种方法的不足。进行环 境监测时,可以在无人机上搭载摄像头或者可感知自然环境的 传感器,使其进入特定的环境中进行拍摄与感知。一方面,低 空拍摄的环境影像分辨率更高,更加精确,另一方面,由于无 人机自身也处于目标区域中,因此通过搭载的特定传感器可以 感知通过图像无法感知的环境参数,比如气压高度、大气温度 和湿度、真空速度等。
37. 12.4 当前无人机领域的研究热点 o 1、无人机非线性控制技术研究 从控制理论角度讲,无人机是一个多变量、强耦合的非线 性控制对象。目前多数的无人机控制系统采用的仍然是线性系 统控制方法。近年来,随着人们对无人机的需求越来越大,应 用场合越来越广,对其稳定性、快速性和抗干扰性的要求不断 提高,采用传统的线性控制器的无人机很难满足人类的需要。 而非线性控制技术直接针对无人机的非线性模型进行控制,充 分考虑对象的非线性特性,无需作局部线性近似,在很大的工 作范围内都具有很好的控制效果。目前已经取得的成果有:非 线性动态逆控制方法、鲁棒伺服LQP控制、自抗扰技术、分数阶 PID控制、Backstepping控制以及基于神经网络的模型参考自适应 方法等等。
38. 12.4 当前无人机领域的研究热点 o 2、多无人机任务规划技术研究 多无人机系统的设计比单无人机系统的设计要复杂的多, 因为不仅要考虑每一个无人机本身的系统控制和功能实现,还 要考虑各个无人机之间的相互协作和配合。如何利用有限的信 息和资源,综合多种约束条件,对多无人机系统进行更为合理 的任务规划,使各个无人机之间既不产生冲突,又能够相互配 合,互补不足,更好地完成复杂的多约束任务,满足多机协同 的应用需求,成为了当前无人机技术的研究热点之一。
39. 12.4 当前无人机领域的研究热点 o 3、无人机自主飞行(智能化)技术研究 在2009 年之前,无人机领域的研究成果还是以半自主的控 制方式为主,虽然能够在很多领域得到应用,但是在使用过程 中还是需要人的参与。此后,研究人员们逐渐将研究的重点转 移到对智能无人机的研究上来。智能无人机是一个复杂的集成 系统,需要飞行器设计、空间定位、路径规划、飞行控制、图 像识别等各方面技术的支持。为了充分利用这些技术,研究者 们通常会将各个功能模块化,通过合理的架构设计将其整合, 达到无人机智能化的目的。实现无人机的自主飞行,主要是要 解决无人机的自主定位、自主路径规划和自主避障问题,计算 机视觉技术的发展为其提供了可能。