自主飛行控制
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2026-01-04
自主飛行控制的實(shí)例教程
飛行器控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)
但由于撲翼飛行器質(zhì)量小，易受陣風(fēng)干擾而呈強(qiáng)烈的非線性和大幅度的非定常飛行動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，常規(guī)的PID控制方法已不適用，必須根據(jù)不同的微型撲翼飛行器類型、甚至不同的特定飛行器，建立智能飛行控制方法。撲翼飛行器所設(shè)定的一些任務(wù)模式?jīng)Q定它常常需要在操縱者的視線之外飛行，也對(duì)撲翼飛行器自主式的導(dǎo)航系統(tǒng)提出了相應(yīng)要求。
但鮮有研究能夠?qū)崿F(xiàn)基于仿生撲翼飛行器的自主飛行。
DelFly Explorer搭載了0.98g自主飛行單元和4.0g機(jī)載立體視覺系統(tǒng)，結(jié)合立體視覺算法，實(shí)現(xiàn)自主避障與自主飛行，但無(wú)法進(jìn)行室外飛行。
撲翼飛行器DelFly
（a）撲翼飛行器整體；(b)DelFly Explorer緩慢前進(jìn)飛行；(c)立體視覺系統(tǒng)；
(d)自主飛行單元，使用8位微控制器和MPU9050 IMU；(e)參考坐標(biāo)系。
馬里蘭大學(xué)迭代設(shè)計(jì)的Robo Raven IV搭載了ArduPilot Mega 2.5自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)，結(jié)合GPS進(jìn)行自主巡航，但是自主飛行效果并不理想。
西北工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的信鴿撲翼飛行器飛行較為穩(wěn)定，在自主飛行實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了較好的效果。
北京科技大學(xué)設(shè)計(jì)的USTBird，采用兩個(gè)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)了左右翅膀的獨(dú)立控制，并在機(jī)身搭載IMU、GPS、氣壓計(jì)等傳感器，實(shí)現(xiàn)了室外半徑10～40 m圓形范圍內(nèi)的自主巡航飛行；并迭代完成仿獵鷹撲翼飛行器的自主定高圓弧軌跡跟蹤任務(wù)。
展開 SVO是通往自主系統(tǒng)上的一步實(shí)踐，
它讓飛行員專注于執(zhí)行層上的決策，
不用擔(dān)心那些底層飛機(jī)自己能夠管理的考量。
CARL DIETRICH Chairman, SVO Subcommittee, General Aviation Manufacturers Association
本文主要內(nèi)容來(lái)源于公開資料，偏向FAA認(rèn)證體系，部分內(nèi)容結(jié)合獅尾智能實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)編寫。
在傳統(tǒng)航空體系中飛行員是大多數(shù)系統(tǒng)和未知情況的失效安全（Failsafe）備份，舉一個(gè)例子，線控（Fly-by-Wire）的直接模式（Direct Mode）就是這種情況。
飛機(jī)電傳飛控系統(tǒng)一般具有三種控制模式：正常模式、降級(jí)模式以及直接模式。其中，飛行控制計(jì)算機(jī)(FCC)具有正常控制模式與降級(jí)控制模式兩種控制模式：
當(dāng)FCC接收到有效的大氣數(shù)據(jù)傳感器信號(hào)時(shí)，F(xiàn)CC處于正常控制模式，執(zhí)行的是根據(jù)大氣數(shù)據(jù)和襟翼位置調(diào)整參數(shù)的最優(yōu)性能正常控制律,輸出正常模式控制律指令；
當(dāng)FCC沒有接收到有效的大氣數(shù)據(jù)傳感器信號(hào)時(shí)，F(xiàn)CC處于降級(jí)控制模式，執(zhí)行的是根據(jù)襟翼構(gòu)型調(diào)整參數(shù)的降級(jí)控制律,輸出降級(jí)模式控制律指令；
當(dāng)發(fā)生故障或者意外等情況，飛行員直接操縱飛機(jī)FCC進(jìn)入直接模式，這種模式下系統(tǒng)的失效安全備份為飛行員。
在UAM場(chǎng)景下出于安全、易用、無(wú)人駕駛等需求驅(qū)動(dòng)，SVO應(yīng)運(yùn)而生。
展開 比如，今天要提到的仿生雨燕Bionic Swift就是Festo的研發(fā)人員從飛燕身上汲取靈感，研發(fā)出了更加輕薄、更像鳥羽毛的飛行機(jī)器人羽翼。
▲仿生雨燕Bionic Swift
一、 人造羽毛使仿生雨燕體態(tài)輕至42克、飛行更自如
仿生雨燕Bionic Swift并不是Festo開發(fā)的第一批飛行機(jī)器人，此前的仿生狐蝠、仿生鴿子都是Feato從自然飛行模式中汲取靈感研發(fā)飛行機(jī)器人的代表。此外，這家公司還曾展示過(guò)他們研發(fā)的螞蟻機(jī)器人、電動(dòng)蝴蝶、能跳躍的袋鼠機(jī)器人、蜘蛛機(jī)器人、能飛的企鵝和水母等多樣的仿生機(jī)器人。
▲螞蟻機(jī)器人和電動(dòng)蝴蝶
▲袋鼠機(jī)器人和狐蝠機(jī)器人
▲能飛的企鵝和水母
而與之前不同的是，仿生雨燕憑借著輕量化的結(jié)構(gòu)開啟了Festo飛行機(jī)器人的新篇章。
仿生雨燕身長(zhǎng)44.5厘米，機(jī)翼展開后長(zhǎng)68厘米，而每只雨燕的整體重量只有42克，其中6克是電池的重量，此外還需要一臺(tái)電機(jī)控制機(jī)翼，以及另外兩臺(tái)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)飛行和進(jìn)行轉(zhuǎn)向。仿生雨燕的飛行時(shí)間很穩(wěn)定，但目前只能飛行7分鐘。
為了將仿生雨燕的飛行呈現(xiàn)得更加逼真，F(xiàn)esto以真實(shí)的羽毛為模型，用柔軟而又堅(jiān)固的泡沫制成超輕薄片，以疊瓦片的方式制成雨燕的翅膀，通過(guò)纖維套筒將機(jī)器鳥的翅膀和身體連接在一起。
▲仿生雨燕以超輕薄片制成的翅膀
在仿生雨燕向上沖程的時(shí)候，單個(gè)羽毛的薄片會(huì)扇出，以便空氣可以在翅膀中流過(guò)。這意味著仿生雨燕只需要較少的動(dòng)力就可以將翅膀拉起。
▲仿生雨燕飛行
在向下俯沖的時(shí)候，雨燕的翅膀葉片會(huì)關(guān)閉，因而可以減小飛行的阻力。雨燕機(jī)器人的機(jī)翼更貼合自然，因此這一仿生雨燕的飛行性能要比以往通過(guò)驅(qū)動(dòng)器提供動(dòng)力飛行的機(jī)器人更好。
仿生雨燕是通過(guò)基于無(wú)線電的室內(nèi)GPS來(lái)確定飛行方向的，憑借這樣的系統(tǒng)才能保證5只仿生雨燕可以在既定的空中區(qū)域自主協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，并且不會(huì)相撞。
展開 智能推進(jìn)控制；
f. 綜合部件驗(yàn)證。
其中自動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，它的控制系統(tǒng)不依賴駕駛員，并在特定任務(wù)剖面類達(dá)到最佳加性能，同時(shí)對(duì)環(huán)境的影響最小。
還能調(diào)整系統(tǒng)特性，使各個(gè)部件的壽命最長(zhǎng)，因而改善推進(jìn)系統(tǒng)的壽命和安全性。自動(dòng)控制技術(shù)在飛行器的控制中應(yīng)用越來(lái)越廣，再如無(wú)人機(jī)的飛行控制從推進(jìn)控制到飛行姿態(tài)的智能自動(dòng)控制。
新技術(shù)的快速應(yīng)用如：采用數(shù)字電調(diào)技術(shù)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障診斷，對(duì)飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行一體化數(shù)字最佳控制；光纖傳感器的廣泛應(yīng)用；光纖控制系統(tǒng)綜合、超大規(guī)模集成電路的應(yīng)用。都極大地加速著飛行器動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展。
4、結(jié)束語(yǔ)
科學(xué)家高歌提出，我們應(yīng)當(dāng)加大力度發(fā)展新型發(fā)動(dòng)機(jī)如：真空零點(diǎn)能發(fā)動(dòng)機(jī)、反物質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)。
當(dāng)前有好多種高性能發(fā)動(dòng)機(jī)不斷取得突破和進(jìn)展如：超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)。 在發(fā)展型號(hào)的同時(shí)應(yīng)該著手預(yù)研究，重視預(yù)研的重要性。【3】作為航空航天學(xué)院的探控系學(xué)生，面對(duì)我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)差，與領(lǐng)先國(guó)家存在著巨大差距，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展日新月異的時(shí)代，我們面臨的是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)，當(dāng)奮起直追，強(qiáng)大我國(guó)航空航天事業(yè)！
參考文獻(xiàn)：【1】宋筆鋒主編《航空航天技術(shù)概論》 國(guó)防工業(yè)出版社 【2】王如根、高坤華編著《航空發(fā)動(dòng)機(jī)新技術(shù)》 航空工業(yè)出版社 【3】吳大觀著《航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制工作論文集》航空工業(yè)出版社
參考文獻(xiàn)：
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】
展開 同空中航行器一樣，自主水下航行器(AUV) 更適用于對(duì)大型載人航行器來(lái)說(shuō)太危險(xiǎn)或根本無(wú)法嘗試的許多應(yīng)用領(lǐng)域。
例如，北極探索、水下建橋與管道檢查，以及水產(chǎn)養(yǎng)殖自動(dòng)化，這些應(yīng)用通常需要 AUV 行駛一段距離才能到達(dá)目標(biāo)位置。航行器一旦到達(dá)目標(biāo)位置，可能就需要執(zhí)行敏捷操縱（即水下機(jī)動(dòng)航行），以采集圖像、視頻和其他重要數(shù)據(jù)。
受諸多因素的影響，開發(fā)這些 AUV 的控制算法錯(cuò)綜復(fù)雜。其中，最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)是無(wú)線電信號(hào)在水中會(huì)發(fā)生衰減，這使得 AUV 在深海遠(yuǎn)程作業(yè)時(shí)無(wú)法可靠地接收 GPS 或通迅信號(hào)。由于缺乏這種通信，AUV的自主作業(yè)能力就顯得愈加重要。
瑞典皇家理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)研究了控制策略，通過(guò)最大限度地降低能耗，使AUV 完成時(shí)間更長(zhǎng)、更復(fù)雜的任務(wù)成為了可能。
借助 MATLAB? 和 Simulink?，使用基于模型的設(shè)計(jì)，對(duì)開發(fā)的控制算法進(jìn)行了仿真、優(yōu)化與實(shí)現(xiàn)。這種方法可以先通過(guò)仿真快速開發(fā)和評(píng)估算法，然后在機(jī)動(dòng)航行的 AUV SAM（圖 1）上，對(duì)這些算法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，從而加快研究步伐。
圖 1. SAM AUV（上圖）和三維表示（下圖）。SAM是由瑞典皇家理工學(xué)院的海洋機(jī)器人中心設(shè)計(jì)的。
AUV 設(shè)計(jì)中的工程權(quán)衡
采用就地懸停設(shè)計(jì)的 AUV，通常搭載多個(gè)推進(jìn)器，這使得 AUV 體積龐大，因而無(wú)法輕松完成遠(yuǎn)距離航行。另一方面，雖然細(xì)長(zhǎng)型 AUV 的航程更遠(yuǎn)，但受限于形狀，再加之缺乏多個(gè)推進(jìn)器，這些 AUV 在到達(dá)目標(biāo)位置后，更難懸?；蚴箶z像頭和其他傳感器朝向感興趣的目標(biāo)。
展開 
自主飛行控制的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
自主飛行控制的最新內(nèi)容
還有目前發(fā)展的基本都是無(wú)人駕駛的eVTOL，需要有高度自主且智能的飛行控制，還有電池技術(shù)的革新以及電池的能源形式，目前太陽(yáng)能或者氫能也有一些很前沿的研究。</p><p><br></p><p>另外就是高效的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、特種材料使用，以及結(jié)構(gòu)的輕量化，電池重量、結(jié)構(gòu)的重量、還有電機(jī)重量都是需要進(jìn)行減重設(shè)計(jì)的，我們仿真技術(shù)可以輔助結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化研究。
結(jié)合現(xiàn)有的利益攸關(guān)者需求清單與起飛過(guò)程狀態(tài)分析結(jié)果，可進(jìn)一步補(bǔ)充和完善通訊備份、自主控制飛行與降落等相關(guān)需求，從而不斷迭代運(yùn)行概念模型與利益攸關(guān)者需求清單，直至達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，為后續(xù)確定設(shè)計(jì)方案提供參考。
此前，大疆MG-1P植保無(wú)人機(jī)就通過(guò)接入基于千尋知寸厘米級(jí)高精度定位技術(shù)的無(wú)人機(jī)自主飛行解決方案，能夠按照預(yù)先測(cè)繪生成的航線以及設(shè)置的飛行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了自主飛行，從而能控制飛行作業(yè)噴幅范圍，結(jié)合變量噴灑等技術(shù)，控制藥物、化肥的畝用量，防止重噴、漏噴，提高植保質(zhì)量，也通過(guò)提升農(nóng)藥、化肥使用效率，降低用量和成本。
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仿獵鷹撲翼飛行器自主飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)科學(xué)（信息科學(xué)）, 2022,52(9):1656-1671.
引用格式
夏然龍，邵書義，吳慶憲.風(fēng)干擾下傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器直升機(jī)模態(tài)預(yù)設(shè)性能跟蹤控制［J］.無(wú)人系統(tǒng)技術(shù)，2023，6（2）：71-80
同空中航行器一樣，自主水下航行器(AUV) 更適用于對(duì)大型載人航行器來(lái)說(shuō)太危險(xiǎn)或根本無(wú)法嘗試的許多應(yīng)用領(lǐng)域。
例如，北極探索、水下建橋與管道檢查，以及水產(chǎn)養(yǎng)殖自動(dòng)化，這些應(yīng)用通常需要 AUV 行駛一段距離才能到達(dá)目標(biāo)位置。航行器一旦到達(dá)目標(biāo)位置，可能就需要執(zhí)行敏捷操縱（即水下機(jī)動(dòng)航行），以采集圖像、視頻和其他重要數(shù)據(jù)。
受諸多因素的影響，開發(fā)這些 AUV 的控制算法錯(cuò)綜復(fù)雜
航測(cè)無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)：飛控系統(tǒng)用于無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航、定位和自主飛行控制，它由飛控板、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS接收機(jī)、氣壓傳感器、空速傳感器等部件組成。
飛控系統(tǒng)性能指標(biāo)要求：
1、飛行姿態(tài)控制穩(wěn)度:橫滾角應(yīng)小于±3° 俯仰角應(yīng)小于±3° 航向角應(yīng)小于±3°
2、航跡控制精度:偏航距應(yīng)小于±20米、 航高差應(yīng)小于±20米、 航跡彎曲度應(yīng)小于±5°。
GSAUTO早新聞
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TechWeb 5月16日消息,近日，南京小鵬汽車銷售服務(wù)有限公司因廢漆渣未按要求貯存，違反固體廢物管理制度
