引言

無(wú)人機(jī)即無(wú)人駕駛航空器(unmanned Aerial Vehicle,UAV),是一種利用數(shù)據(jù)鏈通信遠(yuǎn)程控制或者完全自主執(zhí)行飛行任務(wù)的航空器。無(wú)人機(jī)兼具自主飛行、靈活機(jī)動(dòng)、成本低廉、可執(zhí)行高風(fēng)險(xiǎn)任務(wù)等諸多特點(diǎn),在許多生產(chǎn)實(shí)際場(chǎng)景中均表現(xiàn)出優(yōu)于其他交通載具的性能。

隨著先進(jìn)導(dǎo)航傳感器的出現(xiàn)和集成,無(wú)人機(jī)最初用于防御偵察或者其他軍事作戰(zhàn)任務(wù),由于性能優(yōu)良,無(wú)人機(jī)迅速成為武裝力量不可分割的一部分。無(wú)人機(jī)技術(shù)的興起不僅消除了無(wú)人機(jī)演習(xí)在軍事上的限制,更是擴(kuò)大了無(wú)人機(jī)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用范疇。近年來(lái),由于民用無(wú)人機(jī)在可達(dá)性、速度和可靠性方面克服了地面系統(tǒng)的限制,因此民用無(wú)人機(jī)迅速走向了各行各業(yè),被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)植保、電力巡檢、應(yīng)急救災(zāi)、環(huán)境檢查、交通監(jiān)控、城市管理、遙感探測(cè)、物流配送等[1—5]多個(gè)領(lǐng)域。本文主要對(duì)無(wú)人機(jī)的分類(lèi),特別是不同平臺(tái)構(gòu)型的無(wú)人機(jī)展開(kāi)相關(guān)研究,并針對(duì)處于巡航階段的無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)方程提出了一種簡(jiǎn)化模型。

1無(wú)人機(jī)分類(lèi)

1.1運(yùn)行管理方面

按照使用范圍可將無(wú)人機(jī)分為國(guó)家無(wú)人機(jī)和民用無(wú)人機(jī)。民用無(wú)人機(jī),指用于民用航空活動(dòng)的無(wú)人機(jī);國(guó)家無(wú)人機(jī),指用于民用航空活動(dòng)之外的無(wú)人機(jī),包括用于執(zhí)行軍事、海關(guān)、警察等飛行任務(wù)的無(wú)人機(jī)。

按照民航法規(guī)《特定類(lèi)無(wú)人機(jī)試運(yùn)行管理規(guī)程

(暫行)》對(duì)于無(wú)人機(jī)運(yùn)行管理的等級(jí)分類(lèi),按照空機(jī)重量、起飛全重等指標(biāo)特定類(lèi)無(wú)人機(jī)主要可以分為9類(lèi),具體如表1所示。

按照無(wú)人機(jī)規(guī)章制定聯(lián)合體(JARUS)提出的概念SORA(Specific Operations Risk Assessment)對(duì)于無(wú)人機(jī)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的分類(lèi),可以將無(wú)人機(jī)分為開(kāi)放類(lèi)、特定類(lèi)、審定類(lèi)三種。

開(kāi)放類(lèi)無(wú)人機(jī)主要包括微型無(wú)人機(jī)、在適飛空域內(nèi)并具備跟蹤技術(shù)和電子圍欄技術(shù)的輕小型無(wú)人機(jī)。對(duì)于這種開(kāi)放類(lèi)無(wú)人機(jī),將其定義為對(duì)于公眾和空域風(fēng)險(xiǎn)程度極低的無(wú)人機(jī)類(lèi)型,民航局監(jiān)管部門(mén)將最小化相關(guān)部門(mén)的介入程度,無(wú)須設(shè)定強(qiáng)制性的適航要求,做到“放管服”。對(duì)于此類(lèi)運(yùn)行,主要通過(guò)運(yùn)行限制來(lái)降低風(fēng)險(xiǎn)(如電子圍欄、視距內(nèi)運(yùn)行等),因此不需要適航審定,也沒(méi)有針對(duì)運(yùn)營(yíng)商和無(wú)人機(jī)操作員的資質(zhì)要求,運(yùn)營(yíng)人直接對(duì)飛行安全運(yùn)營(yíng)負(fù)責(zé)。

特定類(lèi)無(wú)人機(jī)主要包括中型無(wú)人機(jī)和在適飛空域外飛行的輕小型無(wú)人機(jī)。這種特定類(lèi)的無(wú)人機(jī)系統(tǒng),在某些實(shí)際的使用場(chǎng)景中已不可忽視其在空域內(nèi)帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn),因此不能滿足開(kāi)放類(lèi)的要求。由于該類(lèi)別的無(wú)人機(jī)具有一定的風(fēng)險(xiǎn),因此需要通過(guò)額外的限制或通過(guò)對(duì)設(shè)備和人員能力提出更高要求來(lái)降低風(fēng)險(xiǎn)。目前針對(duì)這一類(lèi)無(wú)人機(jī)運(yùn)行并沒(méi)有采取一刀切的方式限制無(wú)人機(jī)的使用,而是采用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方式,確保該類(lèi)無(wú)人航空器系統(tǒng)通過(guò)可接受的風(fēng)險(xiǎn)水平運(yùn)行。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估內(nèi)容主要考慮特定類(lèi)無(wú)人機(jī)在實(shí)際使用場(chǎng)景中對(duì)地面所造成的威脅和在空中飛行所面臨的危險(xiǎn),包含設(shè)計(jì)要求、運(yùn)行限制、人員資質(zhì)認(rèn)定等。開(kāi)展的方式可由運(yùn)行人員進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,并確定風(fēng)險(xiǎn)控制措施,然后由局方進(jìn)行審查和批準(zhǔn)。對(duì)于安全風(fēng)險(xiǎn)較高的無(wú)人機(jī)運(yùn)行則需要民航局許可認(rèn)證,例如植保類(lèi)無(wú)人機(jī)在從事農(nóng)林植保作業(yè)時(shí)安全風(fēng)險(xiǎn)較低,可以按開(kāi)放類(lèi)無(wú)人機(jī)管理;當(dāng)植保類(lèi)無(wú)人機(jī)飛到90 m,指揮其他植保無(wú)人機(jī)進(jìn)行協(xié)同作業(yè),這時(shí)它帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)將大幅度提高,因此就變?yōu)樘囟?lèi)無(wú)人機(jī),需要結(jié)合實(shí)際使用情況對(duì)無(wú)人機(jī)的安全風(fēng)險(xiǎn)大小進(jìn)行評(píng)估。

審定類(lèi)無(wú)人機(jī)主要包括大型無(wú)人機(jī)和任何飛行性能超過(guò)安全范圍容易對(duì)公眾與空域造成威脅的無(wú)人機(jī);如果無(wú)人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)上升到等效于正常有人駕駛航空器運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)水平,那么將被認(rèn)定為審定類(lèi)無(wú)人機(jī)。這類(lèi)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)通常是在復(fù)雜環(huán)境下運(yùn)行的高風(fēng)險(xiǎn)目標(biāo),僅通過(guò)運(yùn)行限制的手段無(wú)法有效降低其運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。審定類(lèi)無(wú)人機(jī)包括飛行速度快、航程遠(yuǎn)、升限高的無(wú)人機(jī),需對(duì)其進(jìn)行全過(guò)程的適航管理。

1.2平臺(tái)構(gòu)型方面

目前,有人機(jī)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型比較固定,被廣泛使用的構(gòu)型主要包括固定翼和直升機(jī)兩大類(lèi)型。而現(xiàn)階段的無(wú)人機(jī)不同于有人機(jī),其結(jié)構(gòu)類(lèi)型多種多樣,不同型號(hào)之間差異較大。

無(wú)人機(jī)按照結(jié)構(gòu)分類(lèi)主要有固定翼、多旋翼、復(fù)合翼和傾轉(zhuǎn)旋翼四種平臺(tái)構(gòu)型。

固定翼無(wú)人機(jī)主要通過(guò)機(jī)翼與空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)在上下翼面之間產(chǎn)生壓強(qiáng)差,從而產(chǎn)生升力。它們具有飛行速度快、航程遠(yuǎn)、有效載荷大的優(yōu)點(diǎn)。固定翼無(wú)人機(jī)的起降通常需要一定長(zhǎng)度的跑道,對(duì)起降場(chǎng)地凈空條件也有一定要求,不能適應(yīng)城市低空、高層建筑等復(fù)雜環(huán)境。因此,目前低空環(huán)境的無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)中常用的是能夠?qū)崿F(xiàn)垂直起降的構(gòu)型平臺(tái)。

多旋翼無(wú)人機(jī)由機(jī)體各軸末端的動(dòng)力單元驅(qū)動(dòng),動(dòng)力單元驅(qū)動(dòng)槳葉旋轉(zhuǎn)向下推動(dòng)空氣,在空氣和旋翼之間產(chǎn)生反作用力,獲得垂直起降的能力。通過(guò)調(diào)整旋翼旋轉(zhuǎn)的速度,可實(shí)現(xiàn)升力的變化,以及通過(guò)各軸旋翼產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)速?gòu)亩纬刹顒?dòng)升力來(lái)控制飛機(jī)的姿態(tài)和位置。多旋翼無(wú)人機(jī)通常采用3個(gè)以上旋翼軸的動(dòng)力布局方案。在低空城市環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)的無(wú)人機(jī)通常采用具有4個(gè)及以上旋翼軸的冗余布置方案,以防止一個(gè)旋翼軸電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障導(dǎo)致無(wú)人機(jī)墜落。由于空氣動(dòng)力學(xué)特性和結(jié)構(gòu)限制,多旋翼無(wú)人機(jī)的最大飛行速度和航程通常均低于固定翼無(wú)人機(jī)。

復(fù)合翼無(wú)人機(jī)結(jié)合了固定翼和多旋翼無(wú)人機(jī)的特點(diǎn),其能夠?qū)崿F(xiàn)垂直起降和空中懸停,也能通過(guò)固定翼面進(jìn)行高速巡航。復(fù)合翼構(gòu)型在現(xiàn)有固定翼構(gòu)型平臺(tái)的基礎(chǔ)上增加了旋翼動(dòng)力部分,在進(jìn)行垂直起降的時(shí)候采用旋翼作為動(dòng)力源直接產(chǎn)生向上的升力,而不需要滑跑加速進(jìn)行起飛;在起飛上升到一定高度則進(jìn)入固定翼無(wú)人機(jī)的平飛模式。該類(lèi)型的無(wú)人機(jī)平臺(tái)由于使用了兩套構(gòu)型飛行死重較大,卻無(wú)法同時(shí)利用兩種構(gòu)型的優(yōu)點(diǎn),因此整體飛行效率不高。

傾轉(zhuǎn)旋翼通過(guò)增加旋翼扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),使得旋翼動(dòng)力單元能夠旋轉(zhuǎn)一定的角度,因此無(wú)人機(jī)能夠在旋翼和固定翼兩種構(gòu)型之間進(jìn)行模態(tài)轉(zhuǎn)換。這種特性使得無(wú)人機(jī)充分利用了動(dòng)力系統(tǒng),能夠通過(guò)一套動(dòng)力系統(tǒng)完成垂直起降和高速平飛;但是其扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)冗雜,提高了故障率和維護(hù)成本,并且模態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的飛行控制也較為復(fù)雜。

針對(duì)不同平臺(tái)構(gòu)型的無(wú)人機(jī),為了便于對(duì)比它們的特點(diǎn),本文按照常見(jiàn)的無(wú)人機(jī)性能指標(biāo),包括起降便利性、使用成本、控制難度、巡航性能、有效載重比、系統(tǒng)可靠性,以“高、中、低”三個(gè)等級(jí)分別對(duì)上述無(wú)人機(jī)的性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)級(jí)對(duì)比,具體評(píng)級(jí)結(jié)果如表2所示。

對(duì)于起降便利性這一指標(biāo),由于低空無(wú)人機(jī)容易受到建筑物、起伏地形等障礙物限制以及空域環(huán)境的影響,因此必須考慮無(wú)人機(jī)的起降性能,例如所需起飛滑跑距離盡可能短、對(duì)于凈空條件要求低或者能夠完成垂直起降且對(duì)于起降場(chǎng)的要求不高。

對(duì)于使用成本這一指標(biāo),其不僅包括了使用無(wú)人機(jī)的直接成本,還包括了相關(guān)的維護(hù)保養(yǎng)等運(yùn)營(yíng)成本o

對(duì)于控制難度這一指標(biāo),不僅是指人工操作難度,還包括完成自主飛行的控制規(guī)劃算法編寫(xiě)難度o

對(duì)于巡航性能,主要包括無(wú)人機(jī)的巡航速度、巡航高度、最大航程、巡航階段平均能耗等一系列參數(shù)o

對(duì)于有效載重比,主要指無(wú)人機(jī)的最大業(yè)務(wù)載重占無(wú)人機(jī)最大起飛重量的比值,該比值越大,說(shuō)明無(wú)人機(jī)的死重越小,機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就更加合理o

對(duì)于系統(tǒng)可靠性,由于無(wú)人機(jī)在低空飛行并且可能會(huì)經(jīng)過(guò)城市區(qū)域,因此這就要求無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中穩(wěn)定可靠,即便在部分子系統(tǒng)出現(xiàn)失效的情況下依然能通過(guò)冗余技術(shù)保證最低安全水平o

1)地面坐標(biāo)系xgygzgo

原點(diǎn)0g位于地面,xg軸指向北,yg軸指向東,zg軸指向地球球心位置o該坐標(biāo)系主要用于獲取飛行器相對(duì)于起始點(diǎn)的位置與速度。

2)機(jī)體坐標(biāo)系xbybzbo

原點(diǎn)0b位于無(wú)人機(jī)質(zhì)心,xbzb為飛機(jī)對(duì)稱面;xb軸(縱軸)平行于無(wú)人機(jī)縱向中心線并指向運(yùn)動(dòng)方向;yb軸(橫軸)垂直于xbzb平面并指向飛機(jī)右側(cè);zb軸(立軸)按照右手定則,位于對(duì)稱平面指向下方o機(jī)體坐標(biāo)系可用于描述無(wú)人機(jī)的位置和姿態(tài)o無(wú)人機(jī)可以繞縱軸轉(zhuǎn)動(dòng)做翻滾運(yùn)動(dòng),繞橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)做俯仰運(yùn)動(dòng),繞立軸轉(zhuǎn)動(dòng)做偏航運(yùn)動(dòng)o

2.1三維空間運(yùn)動(dòng)方程

低空無(wú)人機(jī)在空中的運(yùn)動(dòng)可以分解為兩類(lèi),一類(lèi)是沿著坐標(biāo)系軸線的平移運(yùn)動(dòng),簡(jiǎn)稱平動(dòng);另一種則是繞坐標(biāo)系軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)動(dòng)o

當(dāng)無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)只存在平動(dòng)時(shí),無(wú)人機(jī)的姿態(tài)保持不變,其運(yùn)動(dòng)軌跡是一條直線,主要體現(xiàn)為空間位置的改變;當(dāng)無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)只存在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),無(wú)人機(jī)的機(jī)體坐標(biāo)系與地面坐標(biāo)系之間有轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系,主要體現(xiàn)為機(jī)體姿態(tài)的變化。

無(wú)人機(jī)平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)的耦合運(yùn)動(dòng)共同構(gòu)成了無(wú)人機(jī)在三維立體空間下的運(yùn)動(dòng)o無(wú)人機(jī)在不同坐標(biāo)系下的速度表示方法和姿態(tài)描述方式分別如公式(1)和公式(2)所示:

中的系統(tǒng)可靠性主要包括動(dòng)力子系統(tǒng)、機(jī)械子系統(tǒng)、飛行控制子系統(tǒng)等方面的可靠性o

2無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

在低空處于飛行中的無(wú)人機(jī)可以將其視為具有六自由度的運(yùn)動(dòng)體o以無(wú)人機(jī)質(zhì)點(diǎn)為原點(diǎn)建立三維正交坐標(biāo)系,通過(guò)歐拉角可以對(duì)六自由度運(yùn)動(dòng)體的姿態(tài)和位置進(jìn)行描述o

下面首先對(duì)無(wú)人機(jī)的坐標(biāo)系及其相關(guān)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析o

式中:[x●g,y●g,z●g]為地面坐標(biāo)系下無(wú)人機(jī)的速度分量;φ,θ,ψ分別為無(wú)人機(jī)在機(jī)體坐標(biāo)系下的俯仰角、橫滾角和偏航角;[u,v,w]為機(jī)體坐標(biāo)系下的無(wú)人機(jī)速度分量o

2.2簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)模型

無(wú)人機(jī)在三維空間上的高度單位改變量是其速度矢量在垂直方向上的分量,通?？梢酝ㄟ^(guò)無(wú)人機(jī)的爬升率和下降率直接得到無(wú)人機(jī)在高度上的改變量大小,當(dāng)無(wú)人機(jī)處于巡航平飛階段時(shí),可以將其視作在二維平面上的運(yùn)動(dòng)體,以此將運(yùn)動(dòng)學(xué)方程進(jìn)行簡(jiǎn)化。對(duì)于二維平面上的航向改變,可以采用杜賓斯(Dubins)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程[6]從無(wú)人機(jī)的傾斜角推算出航向角,從而得到無(wú)人機(jī)的飛行方向。航向角為機(jī)體縱軸與地球北極之間的夾角,用符號(hào)θ表示,如圖1所示。杜賓斯運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的計(jì)算公式可以式(3)來(lái)表示:

3結(jié)束語(yǔ)

由于無(wú)人機(jī)型號(hào)眾多,不同平臺(tái)構(gòu)型的無(wú)人機(jī)其具有的飛行性能各異,因此所適用的應(yīng)用場(chǎng)景也不盡相同。固定翼無(wú)人機(jī)對(duì)起降場(chǎng)地要求較高,但是具有起飛重量大、巡航性能好的特點(diǎn);多旋翼無(wú)人機(jī)幾乎能在任何平整區(qū)域進(jìn)行起降,并且具有冗余的動(dòng)力裝置,但是飛行中的氣動(dòng)阻力較大;復(fù)合翼無(wú)人機(jī)兼具無(wú)人機(jī)和有人機(jī)的特點(diǎn),但是結(jié)構(gòu)死重較大;傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)垂直起降并高速平飛,但是模態(tài)轉(zhuǎn)換復(fù)雜,機(jī)械結(jié)構(gòu)維護(hù)難度高。針對(duì)處于平飛階段的無(wú)人機(jī),本文根據(jù)杜賓斯方程提出了一種二維模型,簡(jiǎn)化了運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的計(jì)算過(guò)程。