1、无 人 机本文 2014- 04- 11 收到，肖支才系海军航空工程学院副教授、姜鹏系海军航空兵学院副教授室内四旋翼无人飞行器定位导航的研究现状与关键技术肖支才姜鹏戴洪德康宇航摘要随着新材料技术、嵌入式技术、微传感器技术、微机电( MEMS) 、微惯性测量单元( MIMU) 以及控制、导航理论的发展， 四旋翼无人飞行器得到了迅速的发展。 首先， 从定位导航采用的技术出发， 介绍了目前国外在该领域最新的研究情况。 结合室内四旋翼无人飞行器的特点， 着重分析了特征检测、定位导航与建图、航迹规划、能源供给、实时性等关键技术。 最后， 对室内四旋翼无人飞行器的未来发展、应用前景做了展望。关键词四旋翼无
2、人飞行器室内定位导航关键技术引言无人驾驶航空器 ( Unmanned Aerial Vehicle，UAV) 也称无人飞行器，是一种装备了必要的数据处理单元、传感器、自动控制器以及通信系统的不载人飞行器，能够在无人干预的情况下完成自主飞行任务1 。基于不同的外形与几何结构，无人飞行器可以划分为四类:固定翼、旋翼、扑翼以及其它非常规无人飞行器。在这四类中，前两类无人飞行器的实物研究比较多，属于现在的主流无人飞行器;第三类目前以理论研究为主，距离实际应用尚需时日;非常规无人飞行器则处于初始，甚至是概念开发阶段，很多方面均不成熟。固定翼无人飞行器是发展最早的一类无人飞行器，技术上相对成熟，在过去的二
3、三十年中也得到了很好的军事应用，并已经在美英等国的数次军事行动中得到了体现。与固定翼无人飞行器相比，旋翼无人飞行器的发展要缓慢得多，主要是由于旋翼无人飞行器的控制相对固定翼无人飞行器更为复杂。但是，旋翼无人飞行器却有固定翼无人飞行器无可比拟的优点:能够适应多种复杂环境，特别是一些狭小的场所;具备自主起飞和着陆能力，高度智能化;能以各种姿态飞行，如悬停、前飞、侧飞和倒飞等。这些优点决定了旋翼无人飞行器比固定翼无人飞行器具有更广阔的应用前景2 。四旋翼无人飞行器是一款研究比较热门的旋翼无人飞行器，与其它旋翼无人飞行器相比，四旋翼无人飞行器不需要专门的桨( 尾桨) 来抵消反扭矩以保持无人飞行器平衡，
4、并且机动性更强，效率更高，更易控制。在欧美等发达国家已经开始运用四旋翼无人飞行器执行军事侦察、监视、通信、反潜、电子干扰等任务，在地震救灾、考古、水利、农业、电力等民用方面也能看到其所发挥的巨大作用。2012 年，洛马公司下属的 Procerus 技术公司推出了一种小型垂直起降无人机，可以在短短几分钟内为身处窄小杂乱城市环境中的战士、突击部队或其他人员提供空中视野。四旋翼无人飞行器的研究还处于初级发展阶段，随着新材料技术、嵌入式技术、微传感器技术、MEMS、MIMU 以及控制、导航理论的发展，四旋翼无人飞行器得到了迅速的发展。但是，四旋翼无人飞行器要走向实用化，亟需解决的问题还很多，还有很长的
5、路要走。四旋翼无人飞行器质量轻、载重小、续航能力差的特点决定该无人飞行器主要是在低空的近地面进行短航时工作，如室内、峡谷、树林等。由于地形复杂、噪声大，在这种环境中使用 GPS 进行定位52飞航导弹2014 年第 8 期DOI:10.16338/j.issn.1009-1319.2014.08.003无 人 机导航是不可靠的，所以，四旋翼无人飞行器在无GPS 环境中的导航成了一个亟需解决的难题。1国外研究现状目前，世界上用来进行定位导航的四旋翼无人飞行器一般可以分为三类:基于视觉图像的自主定位导航四旋翼无人飞行器、基于 GPS 的自主定位导航四旋翼无人飞行器、基于激光测距仪的自主定位导航四旋翼
6、无人飞行器。1 1基于视觉图像的自主定位导航四旋翼无人飞行器研究基于视觉图像的自主定位导航四旋翼无人飞行器的典型代表有麻省理工学院和宾夕法尼亚大学。麻省理工学院的实时室内自主飞行器试验环境主要用于多无人飞行器的协同控制与定位。在该环境中使用了多架型号为 Dranganflyer VTi 的四旋翼无人飞行器，为了能够对各个四旋翼无人飞行器进行定位，每个飞行器上都安装了多个LED 灯，这些 LED 灯可以作为关键点被地面的摄像头捕捉，这样就能得到四旋翼无人飞行器的位置和姿态，也就能对四旋翼无人飞行器进行定位。四旋翼无人飞行器的关键点信息通过 TCP/IP 协议传给地面站，地面站再将这些信息解算成位
7、置与姿态信息，将这些信息进行融合得到航路规划信息，再将航路规划信息转换为能对四旋翼无人飞行器进行控制的指令，通过无线蓝牙模块将指令传给四旋翼无人飞行器，完成对四旋翼无人飞行器的控制与导航3- 5 ，如图 1 所示。图 1四旋翼无人飞行器编队实验平台宾夕法尼亚大学的 HMX4 则基于视觉来进行无人飞行器定位与定姿。有一个五彩色的标记在无人飞行器的底部，安装在地面的摄像头通过测量四旋翼无人飞行器底部标记的位置和面积得到其姿态角与位置信息，进而对其进行控制与定位6 ，如图2 所示。图 2HMX4 无人机1 2基于 GPS 的自主定位导航四旋翼无人飞行器GPS 导航定位系统建立的初衷就是为了给军用设备
8、进行定位与导航，之后逐步发展到民用设备，现在 GPS 导航定位系统随处可见。随着无人飞行器的发展，GPS 导航定位系统也应用到了无人飞行器上，美国的捕食者、全球鹰能在数次局部战争中立下汗马功劳，GPS 功不可没。同样，对于四旋翼无人飞行器的室外定位与导航，GPS 也是必不可少的装备，其中的典型代表是德国 Microdrones 公司的MD4- 200 和斯坦福大学的 STAMAC 四旋翼无人飞行器。MD4- 200 是德国 Microdrones 公司研制的一种全球领先的垂直起降微型自动驾驶无人飞行器系统，可用于执行资料收集、协调指挥、搜索、测量、通讯、检测、侦察等多种空中任务。机体采用了碳纤
9、维材料，AHHS( 高度、姿态和航向参考系统) 是该机的核心部件， 该系统集成了加速度计、陀螺仪、磁强计、气压计等多种传感器。无人飞行器具有非常低的运转噪声，该机上装有 GPS 导航定位系统，并且配有数传、图传电台以及相应的地面控制站系统，无人飞行器上的 SD 卡可以记录实时的飞行数据，如图 3 所示。62飞航导弹2014 年第 8 期无 人 机图 3MD4- 200 无人机斯坦福大学的 STAMAC 四旋翼无人飞行器已经发展了两代，第一代采用的是 Dranganfly 公司的Dranganfly X4，而第二代的机体则是由斯坦福大学自己制作的。斯坦福大学两代四旋翼无人飞行器都安装了差分 GP
10、S、超声波传感器、惯性导航单元、上位机处理芯片、下位机处理芯片、地面站。不同点主要是所安装传感器的型号差异，并且第一代四旋翼无人飞行器是通过蓝牙实现机载控制系统与地面站的通信，而第二代四旋翼无人飞行器则是通过 WiFi 来实现机载控制系统与地面站的通信。其中，第二代四旋翼无人飞行器 STAMAC如图 4 所示。两代四旋翼无人飞行器都采用 PID 进行控制，并能实现室外的航迹点跟踪7- 9 。图 4STAMAC无人机1 3基于激光测距仪的自主定位导航四旋翼无人飞行器基于激光测距仪的自主定位导航四旋翼无人飞行器的发展相对于前两类更晚，这其中的典型代表是由德国的 Ascending Technolo
11、gies GmbH 公司生产图 5ASCTEC PELICAN 无人机的 ASCTEC PELICAN 四旋翼无人飞行器，如图5 所示。ASCTEC PELICAN 的轻塔结构让用户可以在其上挂载不同的载荷，并很方便地观察所有的电子部件，机载处理器的性能十分高，安装了稳定的相机附件和精密的激光测距仪。此外，用户可以很容易地直接在无人飞行器的主板上整合各种传感器及其数据。国外高校如 MIT、佐治亚理工大学都选用了这款四旋翼无人飞行器来进行试验。目前，国外四旋翼无人飞行器在基于 GPS 定位导航自主飞行方面已经取得了不错的成绩，但是在基于视觉、基于激光测距仪的定位导航方面还有很多困难。2关键技术四
12、旋翼无人飞行器的发展经历了从室外定位导航到室内定位导航的飞跃，现在尤其是室内导航，还有很大的发展空间。 2013 年国际空中机器人大赛( 亚太赛区) 就是旨在提升无人飞行器在密闭空间中( 室内) 完全自主飞行的能力，大赛的任务概要是由参赛队伍制作的无人飞行器进入一个情报机构警卫室( 如图 6 所示) ，避开警卫人员，拿到 U 盘，然后用一个相同的 U 盘替代。无人飞行器的总质量不能超过 1 5 kg，比赛场地尺寸为 30 m 15 m2 5 m，且被分成了数个小房间，同时在走廊布设不同高度的障碍物，起飞地点定在朝向起飞走廊开口( 1 m 1 m) 的3 m 范围之内。此次比赛是在室内进行，传统
13、的室外精度较高的 GPS 根本无法使用， 为了完成任务， 四旋翼无人飞行器有许多关键72飞航导弹2014 年第 8 期无 人 机图 6国际空中机器人大赛比赛场地示意图性技术需要突破。1) 特征检测。室内环境大多是结构化或半结构化的环境，这样的环境都是由线段构成的，四旋翼无人飞行器在室内进行定位与导航依赖环境中的墙角、边角等特征点。而激光采集的数据仅仅是一组分立的点，如何从这些数据中将定位、导航与地图创建所需要的特征点与特征线段快速、准确地检测与提取出来是后续工作的关键。2) 定位、导航与建图。小型四旋翼无人飞行器在室内定位导航时，GPS 一般是不能正常工作的，此时只能依赖其它定位导航传感器，如
14、激光测距仪、摄像头、磁力计、超声波传感器等，如何将这些传感器采集的数据结合起来解算得到四旋翼的位姿并对其进行导航是一大难题，而且各种传感器对环境的敏感程度、抗干扰能力也不一样，除了需要对数据进行处理，找出最优的定位导航算法，还需要针对各种环境制定出最优的定位导航策略。3) 航迹规划。传统的无人飞行器航迹规划算法都是基于数字地图的，在数字地图中，无人飞行器可以当作一个质点来看待10 。与之相比，四旋翼无人飞行器在室内特征地图中虽然也是当作质点来看，但是这时却要考虑四旋翼无人飞行器实际大小的影响，避免其碰到墙、障碍物。虽然不需要考虑最大爬升角、最低飞行高度、目标进入方向这些约束条件，但是室内房间、
15、线段的约束、障碍物的约束却也提出了一个新的挑战。4) 能源供给。四旋翼无人飞行器的能源供给分为汽油供电与电池供电，汽油供电主要是对于大型的四旋翼无人飞行器，这种四旋翼无人飞行器主要是通过遥控来控制的，多用来进行航拍;而小型四旋翼无人飞行器由于具有质量限制，所以只能选用电池供电。小型四旋翼无人飞行器的总质量是一定的，如果选用供电量更足的电池，则电池所占飞机的总质量比重就会更大，这样对其它机载传感器、微处理器的选择就会有很大的限制;而如果选用供电量小的电池，电池所占飞机总质量的比重减小了，这样机载传感器、微处理器的选择有了更大的余地，但是这也势必会影响四旋翼无人飞行器的续航时间。因此，选用的电池需
16、要权衡这两者，找出最合适的能源供给方案。5) 实时性。在四旋翼无人飞行器的定位导航中，无论是用基于 GPS 的方法还是基于无 GPS 的方法( 激光、视觉) ，各种传感器输出的巨大数据量、机载处理器工作频率不够等一系列问题使得四旋翼无人飞行器都需要把飞行器上的大部分数据传输到地面站上处理，之后再由地面站发指令给飞行82飞航导弹2014 年第 8 期无 人 机器来进行控制。然而近地面的干扰源非常多，这势必造成飞行器的控制指令达不到实时性的要求，尤其对于小功率的无线通信链。如果使用大功率的无线通信链，通信效果可能会更好，但是大功率的无线通信模块体积、质量、费用必然增加，而且考虑到安全性也不太合适。
17、因此，研制体积小、质量轻、费用相对低、小功率、抗干扰能力强的通信链对四旋翼无人飞行器的发展尤为关键10 。3未来发展趋势目前，对于四旋翼无人飞行器的定位导航都主要是针对室外进行的，而其在室内定位导航的研究还处于起步阶段。研究四旋翼无人飞行器的室内定位导航对于在峡谷、山区、室内等无 GPS 信号的地方具有更加深远的意义。根据四旋翼无人飞行器室内定位导航发展现状，预计其有以下的发展趋势。3 1多智能传感器组合定位导航技术随着微型智能传感器技术进一步发展，四旋翼无人飞行器将会采用一些微型智能传感器组合对其进行室内组合定位导航，这样将能很大程度地提高四旋翼无人飞行器室内定位导航的精度和自主飞行控制的稳
18、定性。3 2多机编队协同定位导航技术四旋翼无人飞行器在峡谷、山区、森林及室内环境中进行定位导航时，难免会存在盲区或者发生意外坠毁的情况。如果是一架四旋翼无人飞行器来执行类似的任务，很可能不能完成。而多机编队协同定位导航，不仅可以提高定位导航的精度，而且也提高了任务完成的概率。多机协同定位导航的无人飞行器能够共享单机在定位导航时获得的信息，对这些信息进行融合，能够获得更加精确的定位导航信息。在某一架四旋翼无人飞行器出现故障或发生意外的情况下，其它四旋翼无人飞行器还能够继续工作。4结束语随着室内环境的特征检测、定位导航算法、航迹规划算法等关键技术的突破，室内四旋翼无人飞行器在军事和民用领域将会越来
19、越受到重视。室内四旋翼无人飞行器作为一个前沿的研究方向，涉及的学科、领域都比较多，进一步拓展对其飞控系统、控制平台、定位导航算法的研究，将加快四旋翼无人飞行器实用化进程。参考文献 1 蔡国玮，陈本美，李崇兴，等 无人驾驶旋翼无人飞行器系统 北京:清华大学出版社， 2012 2 聂博文 微小型四旋翼无人直升机建模及控制方法研究 长沙: 国防科技大学， 2006 3 Valenti M，Bethke B，Fiore G Indoor multi- vehicleflight tested for fault detection，isolation，and recoveryProceedings o
20、f the AIAA Guidance，Navigation and Con-trol Conference and Exhibit，Keystone， 2006: 1- 18 4 Valenti M，Bethke B，How J P Embedding health man-agement into mission tasking for UAV teams Proceedingsof the AIAA Guidance，Navigation and Control Confer-ence and Exhibit，Keystone， 2006: 5777- 5783 5 How J P，Mc
21、Grew J S，Frank A A Autonomous aircraftflight control for constrained environments Proceedings ofthe 2008 IEEE International Conference on obotics andAutomation，Pasadena，CA，USA， 2008: 2213- 2214 6Bouadallah S，Noth A，Siegwart PID vs LQ controltechniques applied to an indoor microquadrotor Proceed-ings
22、 of the IEEE International Conference on Intelligentobots and Systems( IOS) ， 2004: 2451- 2456 7 Hoffmann G M，Waslander S L，Tomlin C J Quad- rotorhelicopter trajectory tracking control Proceedings of the2008 AIAA Guidance，Navigation and Control Conferenceand Exhibit，Honolulu，Hawaii， 2008: 1- 6 8 Hof
23、fmann G M，Waslander S L，Tomlin C J Quad- rotorhelicopter flight dynamics and control theory and experi-ment Proceedings of the 2007 Guidance，Navigation andControl Conference and Exhibit，Hilton Head，SouthCarolina， 2007: 1- 20 9Hoffmann G M，Tomlin C J Decentralized cooperativecollision avoidance for acceleration constrained vehiclesProceedings of the 47th IEEE Conference on Decision andControl，Cancun，Mexico， 2008: 4357- 4362 10 庞庆霈 四旋翼飞行器设计与稳定控制研究 合肥:中国科技大学， 200892飞航导弹2014 年第 8 期
