多旋翼無人機系統：理論、算例和硬件實驗

譯者序
前言：無人機與垂直起降多旋翼無人機平臺

第1章 無人機與國家空域：無人機分類及相關任務、法規和安全、認證以及空中交通管理
11無人機融入空域面臨的挑戰
111術語定義
112無人機系統的任務
113空中交通管理準則及對無人機系統的影響
114無人機系統融入空域
12主要參與方
121國際民航組織
122無人系統規則制定聯合體
123歐洲航空安全局
13法國規定
14通信問題
15UTM/U-space的後續步驟
16獲取遠程駕駛員證書
17參考文獻第2章無人機分類和任務規劃

第2章 無人機分類和任務規劃
21無人機系統分類、任務概述和市場概況
211國防
212民事安全
213民用商業
22旋翼無人機系統的運用特點
23基於多旋翼平臺的無人機系統民用案例
231航空攝影
232農業
233雪崩防護
234施工和輔助作業
235線狀基礎設施檢查
236消防
237輔助捕撈
238貨物運輸和包裹遞送
239工業現場勘察
2310安全工作和輔助員警
2311保護世界公民
2312野生動物保護

第3章 無人機系統工程
31系統工程原理簡介
311性能權衡分析
312功能性和非功能性分析與需求
313通過早期系統設計檢查需求可行性
32運行分析
321所需的運行能力
322功能分析
33架構方案設計
34垂直起降飛機著艦對導航的要求
35導航鏈架構
36通信系統架構和限制條件
361自由空間中的信號傳播
362大氣中的信號傳播
37人為因素
38集成確認驗證

第4章 基於流體動力學方程的大規模無人機路徑規劃
41無人機及應用上的挑戰
42路徑規劃和流體類比
421運動規劃與控制
422最佳路徑規劃和控制問題
423路徑規劃和偏微分方程方法概況
43問題描述
44流體模擬
45預測集
46集中式方法的控制方程
461構建集中式方法的控制方程
462求解細節和流程
47數值計算
48結論
49參考文獻

第5章 遺傳模糊系統在飛行衝突解脫中的應用
51引言
52問題描述
53方法
531五機問題
532十機問題
54結果
541ε=1的五機問題
542ε=2的五機問題
543ε=1的十機問題
55結論與未來工作
56參考文獻

第6章 基於故障診斷和容錯控制的路徑規劃
61引言
62微分平坦度
63四旋翼無人機模型
64模型平坦度
65基於平坦度的四旋翼無人機容錯控制
651故障檢測與隔離
652控制重構
66結論
67參考文獻

第7章 基於LQR控制器的四旋翼無人機系統動力學辨識和基於頻率掃描的模型驗證
71配置
72規定和假設
73狀態空間表示
74時程資料收集
75CIFER概述
751非參數化模型辨識
752參數化模型辨識
76開環系統辨識
761升沉軸
762方向軸
763橫縱軸
77系統模型驗證
78LQR控制器優化
79參考文獻

第8章 GPS拒止環境中的自主導航和目標地理定位
81引言
82相關研究工作
83系統架構
84導航演算法
841訪問柵格地圖
842掃描匹配
843導航與避障
85目標地理定位
851目標識別
852三角測量目標定位法
86四旋翼無人機動力學
861動力學模型
862電機控制
863姿態控制
864位置控制
87結果
871模擬設置
872模擬結果
88參考文獻

第9章 面向增強態勢感知的視頻和FLIR圖像即時處理
91引言
92相關文獻研究
93研究方法
931設置FLS
932訓練FLS
94結果與討論
95結論與未來工作
96致謝
97參考文獻

第10章 增材製造類小型無人機的設計、製作和飛行測試
101什麼是3D列印
102初步設計應考慮的因素
103使用增材製造的動機
104使用增材製造的設計
1041Vesper
1042HEAV
105特殊材料
106參考文獻

第11章 遺傳模糊系統在無人機複雜任務分配中的應用
111引言
112問題描述
113研究方法
1131模糊聚類方法
1132遺傳模糊聚類方法
1133使用近似代價函數的遺傳模糊聚類方法
114實驗結果
115結論與未來工作
116參考文獻
技術術語表

無人機與垂直起降多旋翼無人機平臺

背景與動機

無人駕駛飛行器（UAV）就是通常所說的無人機。從軍事應用到全球業餘愛好者的青睞，再到最近越來越多重要的民間應用，無人機取得了令人印象深刻的發展和進步。根據BI Intelligence的報告（Meola，2017），與2016年的85億美元銷售額相比，無人機在2021年的銷售額有望超過120億美元，這意味著複合年增長率（Compound Annual Growth Rate，CAGR）將達到可觀的76%。國際無人機系統協會（Association for Unmanned Vehicle Systems International，AUVSI）在其2013年的經濟影響報告（AUVSI，2013）中指出：“在整合發展的第一個三年裡，美國將產生7萬多個工作崗位，對美國的經濟影響超過136億美元。這個效果將持續增長到2025年，預計會帶來10萬多個就業機會，產生820億美元的經濟收益。”

普華永道的報告（PW Press Release，2016）預測民用無人機的市場價值會超過1270億美元，讓我們進一步分析這1270多億美元在關鍵行業中的分佈情況：

●基礎設施：452億美元
●農業：324億美元
●交通運輸業：130億美元
●安防：100億美元
●媒體及娛樂：88億美元
●保險：68億美元
●通信：63億美元
●礦業：44億美元
●總計：1273億美元

鑒於金融市場呈現上升和增長趨勢，我們看上去有足夠多而且合理的理由保持樂觀。當然有些人還是建議在樂觀的同時保持謹慎，畢竟還需要克服許多障礙：技術上的挑戰、不成熟的技術、滯後的法規、不斷變化的認證和運行要求、安全性、隱私和保密、急切的投資者、項目風險等。根據現有無人機行業的發展速度及面臨的諸多挑戰，同時涵蓋所有問題和相應解決方案是非常困難的。

本書是美國俄亥俄州辛辛那提大學和法國波爾多大學的研究成果，旨在為無人機開發和應用的關鍵領域提供有價值的見解，重點在於多旋翼平臺的使用。本書涵蓋以下主題：無人機的分類、無人機融入國家空域管理、系統架構、任務和路徑規劃、任務優化、隔離保障和容錯、導航和飛行控制，以及資料/影像處理。現在，我們對本書各章內容進行簡要介紹。

無人機集成、分類、任務規劃和系統架構

2017年秋天，美國運輸部部長Elaine LChao表示（US Department of Transpor-tation，2017）：“無人機駕駛員專案將通過在當地政府、美國聯邦航空管理局（Federal Aviation Administration，FAA）和無人機個體運營商之間建立新的合作夥伴關係，加速無人機安全地融入我們的領空。這類新的夥伴關係將使當地社會團體嘗試新技術，在統一和安全的空域下提供服務，例如派送包裹、在緊急事件中使用無人機探查等。”“統一和安全的空域”一詞是關鍵推動因素。NASA在開發美國國家空域系統（National Airspace System，NAS）研究活動中的UAS（Unmanned Aerial System，無人機系統）解決方案方面加快了步伐，並處於領先地位（NASA，2016）：

●技術挑戰DAA：UAS檢測與避碰操作的概念和技術。旨在建立檢測與避碰（Detect And Avoid，DAA）的運行和技術標準，使得採用此類標準的具備通信、導航和監視能力（Communication，Navigation and Surveillance，CNS）的UAS功能可以同IFR指令保持一致，並成為載人和無人飛行器空中交通中檢測、避碰的必要標準。

●技術挑戰C2（Command and Control）：UAS指揮控制。旨在開發一套連接衛星（衛星通信）與地基指揮控制系統的運行概念和技術標準，使得採用此類標準的各種具備通信、導航和監視能力的UAS功能可以支援IFR指令標準並同它保持一致，並且支持現在已經分配的保護頻譜。

●演示活動：系統集成與運行（Systems Integration and Operationalization，SIO）。旨在演示採用集成了DAA、C2和最先進飛行器技術的無人機系統在NAS內的穩定操控能力，以這種演示認證的方式展示FAA無人機系統的集成策略及運行程式。

第1章分別從歐洲和美國的視角探討了無人機的分類，與之相關的任務、法規和安全性，認證，以及空管問題。無人機系統完整地融入國家空域面臨著巨大的挑戰，這兩個視角在挑戰的艱巨性上也有所不同，審視它們之間的不同是件有趣的事情。第2章介紹了無人機系統的分類和相關的常規任務，具體列舉了現有系統及潛在的未來民用無人機系統的應用，既包括企業或商用無人機，也包括個人購買的用於非商業、非專業用途的消費級無人機（Meola，A，2017）。第3章描述了無人機系統的使用，這套系統相當複雜，而且採用了結構化的系統工程方法，通過提供一系列的實用工具來達成以下目標：權衡性研究、功能性分析和非功能性分析、需求分析、運行分析、對系統架構設計的見解、基本的人因成分以及確認和驗證技術。

路徑規劃、隔離保障及容錯

無人機需要攜帶載荷從一地飛至另一地，在綜合空域中實現最佳操控需要有效的路徑規劃方法，也需要隔離保障來確保飛行安全。按照FAA的規定，常用的電動多旋翼無人機平臺品質通常不超過55磅1磅約合0453 6千克。——編輯注，續航時間相對較短，因此採用高效的方法來充分利用無人機的飛行時間非常重要，尤其是空域存在如機場、市中心等雜亂的禁飛區時。第4章詳細描述存在其他移動或固定障礙物的情況下，對在國家空域中飛行的單個UAV和協同飛行的UAV進行路徑規劃的優化演算法的開發過程。解決這個NP難路徑規劃問題時，建議採用一種常用的基於混合整數線性規劃（Mixed-Integer Linear Programming，MILP）的優化方法。

隨著國家空域裡無人機數量的增長，存在潛在的空中碰撞安全隱患，要解決該項安全問題必須採用系統的結構化方法，將無人機整合到非隔離空域中。安全空域要求中最重要的一個組成部分是“衝突檢測和消除”（Yang等，2016）。第5章討論了採用遺傳模糊邏輯方法解決機場合作研究項目（Airport Cooperative Research Program，ACRP）（2017）中描述的飛行器衝突解脫的準則。該準則的目標是獲得飛機不產生衝突的軌跡，使得機動總代價最小化。該章提出了一種獨特的架構，該架構包含神經元的隱藏層和提供最終輸出的模糊推理系統（Fuzzy Inference System，FIS）層。由一種名為EVE的人工智慧程式訓練該系統，訓練完成後，就可以使用一組測試場景評估其能力。EVE訓練人工智慧本質上是一種遺傳“模糊樹”，設計目標是訓練大型智慧系統。EVE已經得到大量應用，包括飛行器控制（Ernest等，2016）。它把適應度函數每一次評估的功效最大化，以實現這種高性能和極限擴展。由於EVE是專門用於優化大型“模糊系統”的學習系統，因此它可以遞迴地應用於自身。EVE經過幾代的反覆運算、優化，未來將成為解決大規模無人機隔離保障問題的理想訓練器。

持續地追求低成本、不斷增長的民用無人機市場產生的競爭、愛好者圈子中出現的多旋翼無人機，再加上缺少類似有人機飛行的嚴格監管，會導致無人機出現很多意想不到的故障。故障可以定義如下（Isermann等，1997）：“故障即系統中至少一個特徵屬性或參數相比合適的、通常的或標準的條件產生了不允許的偏差。”無人機系統是安全關鍵系統，必須防止災難性事件發生，從而挽救生命、保全財產、降低訴訟成本和保持財務底線。第6章介紹基於平坦度的容錯控制方法。對於微分平面系統，可以找到一組變數，稱為平面輸出，從而把狀態和控制輸入表示為函數和時間導數。故障檢測和隔離過程主要採用基於閾值的簡單方法實現，通過比較來自感測器的信號和通過微分平坦度獲得的無故障值，即可獲得差值信號。第8章介紹了一種用於傾斜旋翼四旋翼無人機的數學建模和設計容錯控制器的獨特方法。因為驅動電機具有額外的自由度，該方法提供了額外的驅動控制，使旋翼能夠圍繞四旋翼無人機的旋翼支臂的軸傾斜。儘管傳統的四旋翼無人機可以通過商業管道採購，但它們是欠驅動系統，並且對單槳故障敏感，而改進的傾斜旋翼四旋翼無人機是一個能夠處理螺旋槳故障的容錯系統。

技術進展：導航、飛行控制、態勢感知、增材製造和協同群集

隨著無人機使用價值的提升，為了進行飛行控制的研發和驗證，我們預測高精度多旋翼平臺的模擬將獲得更多關注。在使用無人機派送包裹時，有效載荷的品質、體積和重心可能會發生變化，需要具有自我調整能力的有效飛行控制器，因此模擬特別重要，關鍵是針對當前研究分析的系統建立並開發精確的動態模型。下面給出四旋翼建模、系統識別、控制設計和儀錶方面的文獻綜述。頻域系統識別技術，如頻率回應綜合識別（CIFER）套裝軟體（Tischler和Remple，2012）已經被證明可以生成各種旋翼飛機的精確模型（Woodrow等，2013）。基於飛行測試的輸入輸出資料已經用於研發固定翼/旋翼飛機動力學模型。基於以下原因，頻域方法對於開發和驗證飛行控制系統特別有效：它們非常適合解決複雜問題，包括多種重疊模式、不穩定的系統、低信噪比；頻率回應是在沒有預先確定狀態空間模型結構的情況下獲得的非參數特徵；開環和閉環回應為裸機和閉環模型提供了重要的“書面記錄”；回饋的穩定性和雜訊放大特性由開環頻率回應、交叉頻率、增益/相位裕度確定；現代處理技術的品質要求多數基於頻率回應（Wei等，2017）。第7章使用頻率回應綜合識別技術（CIFER）提取和驗證四旋翼無人機模型，並使用線性二次調節器（Linear Quadratic Regulator，LQR）方法優化飛行控制器。

某些無人機應用需要在諸如野外著火或山洞這種惡劣的環境中飛行。室內環境無法使用全球定位系統（Global Positioning System，GPS）進行定位，在光線不足或變化的照明條件下也無法有效使用相機。第8章介紹了在室內環境中，四旋翼無人機利用攜帶的慣性感測器和聲波感測器獲取對室內環境的有限認知，實現圍繞障礙物的自主導航飛行。該系統還能夠跟蹤已知目標並使用感測器對其進行地理定位，然後將目標的圖像和位置傳回地面站。第9章討論了利用無人機檢測和追蹤野火來協助滅火工作，以此提高在高風險工作中的滅火效率。經過遺傳演算法訓練的模糊邏輯系統能夠使用視覺和前視紅外雷達（Forward-Looking Infrared Radar，FLIR）視頻輸入來檢測著火點。此外，還提出了一種兩階段級聯的模糊邏輯系統，其中第一階段使用視覺資料，第二階段處理FLIR資料以對火險圖元進行近乎準確的檢測。視覺和紅外資料的使用極大地提高了火災探測的準確性。與其他常規方法不同，遺傳模