图3 货物吊取的原型
图4 无人机对运动物体的吊取
图5 旋翼无人机吊挂负载飞行演示实验
不难发现，目前这些系统只是在旋翼无人机系统上增加简单吊取装置来验证整个概念的基本可行性而无人机吊挂系统是一个多变量、非线性、强耦合、欠驱动的复杂被控对象。无人机吊挂飞行时，吊挂负载的摆动会直接影响到无人机的飞行稳定性。柔性吊挂自身的复合自由度以及其所处的复杂扰动环境使其同现有的具有作业能力的其他无人平台系统相比，具体自身特有的控制难点，而且这些难点并不能通过旋翼无人机和吊挂系统各自建模、规划与控制方法的简单组合来解决。这些问题正是相关研究机构的研究重点，且已经逐渐成为了无人机研究领域的一个新热点。但到目前为止，系统性、理论性的研究成果尚未出现。
卡内基梅隆大学研究院在动力学模型建立方面考虑吊挂缆绳的弹性和阻尼特性，推导出一个无坐标系统的动力学模型。经过数值仿真表明，针对非弹性缆绳的情况开发的几何控制器仍然适用于弹性缆绳的情况。文献将吊挂缆绳简化成刚性连接杆，研究了吊挂负载对旋翼无人机动力学特性的影响，并讨论了在吊挂负载的影响下旋翼无人机的飞行稳定性及其相应的控制方案。文献研究了因吊挂负载的摆动而引起旋翼无人机系统的稳定性问题，并重点分析了摆动产生的基本条件及原因，以及悬挂点位置、不确定载荷质量等对无人机和吊挂负载耦合运动的影响。综合上述分析，吊挂点、载荷质量和动力学模型等与吊挂无人机飞行特性密切相联，在加装吊挂装置时要充分考虑其构型及结构参数等引起的整体耦合系统的变化，降低上述因素对飞行稳定性和可控性的影响。
为了保证无人机系统能够在吊挂物摆动时保持稳定的飞行状态，需要对无人机系统的协调规划和控制问题进行研究。在这方面研究做的比较好的是特拉华大学(University of Delaware)的Agrawal等人。相关研究人员对无人机系统装载一个缆绳挂载机器人在搬运货物时二者的协调问题开展了深入研究。挪威科技大学研究人员开发了基于反推技术的非线性跟踪控制器，除了抑制摆动负载的影响之外，控制器还可以补偿未知的恒定风力扰动，通过开环整形滤波器规划无路径来减小悬挂载荷的摆动。瑞士苏黎世大学、美国麻省理工学院P.Foehn和R.Tedrake等人[56]提出了一种快速轨迹优化算法，并能够将轨迹优化问题转化为带有互补约束的数学程序（MPCC）。国宾夕法尼亚大学的研究人员基于微分平滑（differential flatness）方法设计了针对平面四旋翼无人机吊挂系统的控制器，实现了针对平面四旋翼无人机吊挂系统的轨迹生成和跟踪，并将这种控制放大扩展到三维环境。利用几何控制（geometric control）和微分平滑方法，达到了四旋翼无人机吊挂系统几乎全局指数稳定的控制效果。
上述规划与控制方法或者对于特定的模型不确定性参数具有一定的鲁棒性/自适应性，或者对于单纯的外界干扰具有一定的不确定性。但是，由于动力学模型的不确定性是深入到模型结构的不确定性，因此这些方法即使对于无人机系统的自主控制仍然难以取得较好的控制性能。
在国外研究取得初步进展的同时，我国也开始意识到无人机面向自主任务作业的重要性和迫切需求。中国航空工业集团在2013年成功举办了国际无人飞行器大奖赛，在旋翼组的竞技类比赛中设置的比赛任务中，以运动中舰船间的空中补给为背景，要求无人机在两个移动平台之间实现自主定位抓取，运送和码放物资的作业。以任务完成精准度和完成时间作为考核指标。该比赛吸引了来自新加坡国立大学、清华大学、北航和南航等国内外众多高校研究团队参加。最终，只有中科院沈阳自动化研究所成功抓取全部物资并完成码放作业，同时以总分第一名获得冠军。
图6 国际无人飞行器大奖赛任务示意图
此外，近年来国内高校也相继开展了对吊挂无人机的控制研究，取得了一定的成果。中科院沈阳自动化研究所韩建达等人设计了四旋翼悬挂负载系统的滑模控制,验证了对负载摆动和系统不确定性的强鲁棒性以及良好的跟踪控制性能。天津大学鲜斌教授团队针对四旋翼无人机吊挂飞行系统，设计了一种新型控制策略，建立四旋翼无人机吊挂系统的数学模型，将吊挂负载看作由刚性绳悬挂在四旋翼无人机重心位置的质点，通过能量分析的方法设计了针对此系统的非线性控制器。经仿真验证，可以在抑制吊挂负载摆动的同时将四旋翼无人机移动到目标位置。华中科技大学杜沛力等人，针对无人机携带吊挂负载物的系统通过结构分析进行数学建模得到三维空间中四旋翼无人机运动特性与负载物摆动之间关系，提出以二型模糊集合描述该不确定性较多的系统，设计了二型模糊控制器对无人机空间位置及负载物摆动进行控制，通过仿真结果证明了二型模糊控制能达到控制无人机位移及抑制负载物摆动的效果，验证了无人机携带吊挂负载应用的可行性以及面对外界干扰的鲁棒性。
3. 结论
无人机因其独特的优势，越来越受到国内外高度重视。通过上述对吊挂无人机的飞行控制技术的综述不难发现该技术真正应用在可执行遂行任务上的无人机面临的技术问题依然艰巨。尤其对于吊挂无人机来说，其自身复杂特殊的运动机理将是我们面临的重大难题。就目前发展来看，对于吊挂无人机的研究仍然存在着诸多挑战。但是随着相关技术的不断迭代和成熟，尤其是随着以人工智能为代表的信息技术的突破性进展和广泛应用，无人机必将得到更进一步的发展，并将深刻改变人们的生活方式、改变行业应用模式，也将改变未来战争的形式。而对于面向自主任务作业的吊挂无人机来说也必然会有美好的发展前景。
作者：齐俊桐 平原
本文刊载自《无人系统技术》2018年第1期
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