-PAGE53-四旋翼無人機起降控制技術研究的國內外文獻綜述1.1國外研究現(xiàn)狀在20世紀初，法國寶璣兄弟突發(fā)奇想地設計了一款不搭載任何飛控裝置的四旋翼飛機(圖1.1)[4]，成為了最早研發(fā)的旋翼飛機，盡管飛行過程十分不穩(wěn)定，但其開辟了這種氣動模式格局；作為四旋翼飛機的雛形以及垂直起降機的先例，為以后四旋翼無人機的發(fā)展奠定了堅實的理論基礎。圖1.1Breguet兄弟設計的四旋翼飛行器90年代開始，國外研究機構陸續(xù)對于無人機的自主著陸開展系統(tǒng)性的研究。從理論系統(tǒng)到工程開發(fā)研究都取得了大量的成果，例舉一些具有代表性的研究課題：（1）來自加大伯克利分校的CourtneyS．Sharp等學者，率先借助視覺的著陸研究對飛行器進行控制[5]，借助以空間點為基準到像點的投影關系來求解飛行器位置和姿態(tài)的方法。根據(jù)一定數(shù)學理論來確定該方法，在地物空間點的標定固定的位置后，對像點的定位要根據(jù)攝像機的位姿情況。對地面的4個特征點進行標定和選取，構建像點及像機位姿相互關系的線性方程組，飛機位姿的信息根據(jù)求解獲取，其投影的相互關系較為簡明而極具魯棒性。作者不僅根據(jù)投影的關系獲得了匹配，還對結果完成了非線性處理使其進行了改良優(yōu)化。（2）美國賓夕法尼亞大學學者研制的HMX4型四旋翼小型飛行器是根據(jù)視覺來進行自主控制。其根據(jù)地面攝像頭的追中跟蹤來檢測機底五個不同的彩色標志位置與面積，從而獲取四旋翼位姿角以及位置情況等物理信息。其后改造了機載以及地面的攝像頭用視覺檢測來確定位姿以及定位的系統(tǒng)，測量的精確程度獲得了新的高度，根據(jù)Backstepping的控制方法，完成了利用視覺進行自主起降、與地面的機器人來進行配合協(xié)作[6]。（3）MD4-200機型是德國Microdrone公司研發(fā)用于商業(yè)的四旋翼飛機(圖1.2)。它采用了碳纖維材料進行制造，具備抗疲勞、抗碰撞，重量輕等多種優(yōu)點。該公司利用自行開發(fā)的螺旋槳以及盤式電機：同時集成了濕度、濕度計、陀螺儀、磁力計等多種高精度傳感器和先進的控制算法設計的姿態(tài)、高度及航向參考系統(tǒng)。該個系統(tǒng)具備操縱性十分優(yōu)良，操作者可以使用遙控器直接控制，同時也能借助GPS導航系統(tǒng)按照規(guī)定航跡進行自動飛行。利用windows操作系統(tǒng)平臺的mdCockpit座艙儀表軟件完整的實現(xiàn)了飛行規(guī)劃、飛行監(jiān)控、飛行數(shù)據(jù)分析這個過程。它為所有無人旋翼飛行產品中僅有的能夠提供自控駕駛功能的高級無人機控制系統(tǒng)[7]。圖1.2Md4—200的配套設備和根據(jù)航跡的自動飛行（4）日本東京都市大學進行過基于GPS定位的自動巡航與自動著陸控制的有關研究[8]。以色列SKYSaPience公司成功研制了一種可從車輛上起飛的系纜式懸停無人機，稱之為HOverMast。該無人機可在空中持續(xù)懸停并獨自降落（無需其它輔助回收設備），它具有一個用于提升中央風扇以及四個用于穩(wěn)定和移動的輔助推進器，整套系統(tǒng)可折疊置于車輛頂部直徑為80cm的集裝箱內[9]。1.2國內研究現(xiàn)狀與國外相比，國內四旋翼無人機自主著陸控制技術起步較晚，特別是在車載自動起降控制方面的研究更少。清華大學提出一個根據(jù)視覺檢測軟件和車載攝像平臺相結合的視覺系統(tǒng)來實現(xiàn)無人機的自動著陸。航行完成后使得該無人機能夠根據(jù)對象識別技術自主準確對準返停標志并回到停機坪和土地上。該視覺算法主要包括兩部分：識別預先的著陸標識符和三角形表示著陸方向的檢測。為了檢測著陸地標，他們設計了一種新的基于圖像配準算法，十分簡單快捷，且功能強大。同時利用霍夫直線檢測和Helen公式檢測預先三角形確認著陸方向。其中重要的創(chuàng)新點在于他們率先使用的自適應閾值選擇法來完善算法。根據(jù)飛行試驗，他們的方法處理一個640×480圖像的平均處理時間小于60毫秒，而成功的目標檢測率平均為97.42％。2008年，該系統(tǒng)取得了國內賽事空中機器人組的金獎[10]。南京航空航天大學的張曉龍(2014)通過對四旋翼飛機直立式的攝像頭進行標定并求得內參矩陣。利用C#軟件完成了一個地面控制臺的設計，集成了一些算法從而達到圖像處理、位姿估計以及目標跟蹤等功能。使其應用的AR．Drone飛行器能夠進行自主著陸[11]。2018年6月在“第九屆中國無人機大會暨展覽會”上中科院某研究所展示一款油電混合無人機和配套車載系統(tǒng)如圖1.3所示，實現(xiàn)了四旋翼無人機的車載人工操縱起降控制，但智能化的自動起降控制還未實現(xiàn)。國內公開中報道未見我國車載四旋翼無人機在部隊中應用。圖1.3油電混合無人機和配套車載系統(tǒng)一般說來，無人直升機所采用的著陸導航方式，直接決定著無人直升機的著陸控制策略及相應的控制算法設計，而基于視覺信息的控制器設計依飛行器和視覺系統(tǒng)的性能及任務的復雜性兩方面，可以選擇不同的設計方法[12]。由于視覺導航系統(tǒng)對無人機實現(xiàn)自主飛行的先天優(yōu)勢，以及基于視覺導航的無人機自主著陸還未實現(xiàn)廣泛的應用，因此基于視覺導航系統(tǒng)的無人機自主著陸是由相當?shù)闹档醚芯康?。參考文獻[1]黃長強，翁興偉，王勇，曹林平.多無人機協(xié)同作戰(zhàn)技術[M]北京：國防工業(yè)出版社，2012.[2]P.Williams，M.Crump.Intelligentlandingsystemforlandinguavsatunsurveyedairfields.28THINTERNATIONALCONGRESSOFTHEAERONAUTICALSCIENCES.2012.[3]ZoltanArva-Toth.AeroLaunchPad[EO/OL]./news/aero_launchpad.[4]AhseneBoubakir，SalimLabiod，F(xiàn)aresBoudjema.RobustControllerAppliedtoaQuadrotorUnmannedAerialVehicle.\o"InternationalConferenceonAutomation&Mechatronics"InternationalConferenceonAutomation&Mechatronics2011-11-01.[5]OmidShakernia，ReneVidal，CourtneyS.Sharp...Multipleviewmotionestimationandcontrolforlandinganunmannedaerialvehicle.\o"IEEEInternationalConferenceonRobotics&Automation"IEEEInternationalConferenceonRobotics&Automation.[6]聶博文，馬宏緒，王劍，等．微小型四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀與關鍵技術[J]．電光與控制，2007，14(6)：113-117．[7]佳朋．四旋翼無人機的導航與控制[D]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2010，7(6)：113—117．[8]藤山雷太，諏訪敬祐.AR.Droneを用いた自律型観測システムの最適制御.東京都市大學橫濱キャンパス情報メディアジャ—ナル2014.4第15號.[9]YAAKOVKATZ.HoverMastpromisesextendedsurveillance[J].\o"Jane'sinternationaldefensereview"Jane'sinternationaldefensereview.2012.[10]FucenZ，HaiqingS，HongW．Theobjectrecognitionandadaptivethresholdselectioninthevisionsystemforlandinganunmannedaerialvehicle[C]／／InformationandAutomation，2009．ICIA’09．InternationalConferenceon．IEEE，2009：117-122．[11]張曉龍基于視覺的四旋翼飛行器自主著陸和位姿估計[D]..南京航空航天大學2014.[12]唐斌．無人機自動起飛／著陸控制技術研究[D]．南京航空航天大學，2007．[13]周樹春．基于GPS的無人機自動著陸控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D]．西北工業(yè)大學，2007．[14]SvenLange，NikoSünderhauf，PeterProtzel.AutonomousLandingforaMultirotorUAVUsingVision.SimparIntlConfonSimulation,Modeling&ProgrammingforAutonomousRobots2008.[15]DLitwiller,CCDvs.CMOS:factsandfiction,PhotonicsSpectra,2001.[16]PadmakumarR.Rao，XinyangWang，AlbertJ.P.Theuwissen,DegradationofspectralresponseanddarkcurrentofCMOSimagesensorsindeep-submicrontechnologyduetoγ-irradiation,AJPTheuwissen-Essderc-europeanSolidStateDeviceResearchConference,2007.[17][Cao,Chen，Shen,Benlan，Zhang,Bing.AnImprovedModelfortheFullWellCapacityinPinnedPhotodiodeCMOSIma