经典控制回路

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       编辑/江畔雨落
       前言
       无人机越来越多地用于各种工程领域，例如检查、收获、监视、作物监测、精准农业和遥感。
       无人机可以采取许多不同的形式，因此它们可以适应许多不同的情况，这一点再加上无人驾驶的优势，提供了能够以自主方式执行许多不同的任务的优势。
       这种工具的一个特点是使用机载电池为无人机及其附件系统供电，对于大多数无人机来说，机载供电电池的总飞行时间不到1小时，因此就需要具有更高容量的更大电池。


       但这会导致更重的动力系统和更小的无人机有效载荷能力，在这种电池增加的极限下，必须实施更大的推进系统，导致更高的能耗，从而降低使用寿命。
       并且由于项目或法律限制可能不现实，如果无人机由地面上的电源供电，并且能量通过系绳传输到车辆，则可以避免这种情况，此配置被标识为系留无人机。
       系留无人机与传统无人机相比究竟有什么不同？这样的变化解决了怎样的问题？


       系留无人机有什么不同
       系留系统通常由以下两种情况之一组成：由地面站或地面平台供电的无人机，通过使用可以传输能量，数据并在空中和地面操作之间提供机械支持的电缆。
       另一种是一个或多个自由飞行的无人机通过系绳连接到负载上，仅用作车辆之间的机械连接和负载，在一些通过系绳传输能量的tUAV应用中，能量流甚至可以倒置，无人机利用风力产生能量并通过系绳将其传输到地面。
       比空气轻和气球式无人机不得使用旋转或主动推进方法，这一特性与系留配置相结合，也可用于延长任务持续时间。




       第一个问题的目的是优先考虑解释系统配置，例如系绳和无人机如何连接，系绳的下端如何使用，以及在系统建模中考虑的环境特征，第二个问题对飞机类型给予了分数。
       此信息对于了解飞行器的配置以及在分析期间将解决方案细分为飞机类型组非常重要，第三个问题优先考虑描述无人机如何运行，不同的飞行参数可能有不同的机械和建模需求。


       第四个问题是为在实际测试中经过验证的解决方案加分，仿真是验证所提出理论的合法方法，但与任何复杂系统建模一样。
       实际测试使理论模型面临各种不确定性，这些不确定性在建模阶段可能不会被考虑。


       第五个问题旨在确定明确描述和解释出版物结果的解决方案的优先顺序，第六个问题的目的是将资源创造条件的解决办法分开。
       禁止条件的包括需要大量气体进行充气或操作的飞艇或气球、操作期间的极端环境条件以及商业解决方案无法实现的其他资源需求条件。


       软管运输：软管由一个或多个无人机运输，通常是为了向特定位置提供一些液体内容物，例如消防和建筑油漆，尽管它们呈现出类似的一般系统配置。
       但无人机连接到一个巨大的自由摆动体，这两种情况提出了不同的目标，因此需要解决不同的问题：负载运输侧重于终端质量的稳定和避免碰撞。


       软管运输方案是为了保持喷射流体接触点稳定，从而补偿弹射本身产生的力，而不太关心无人机或软管的摆动运动，此外在软管运输中，无人机的路径必须考虑避免急弯，以防止液体流量减少。
       负载运输应用中值得一提的一个子类别是使用tUAV在危险区域恢复军事有效载荷，或者通过使用多旋翼无人机或执行圆周运动的高速车辆。


       因为它们的系统配置略有不同，在军事有效载荷恢复中，需要在无人机移动时快速连接负载，在负载拖动场景中，有效载荷重量可能会超过无人机的最大起重能力。


       正如关注控制和导航问题所预期的那样，其中82%描述了用于控制回路的部分传感器，相同百分比的传感器，一些解决方案仅将其技术应用于模拟环境，并使用模拟中可用的数据作为其主要感知源。
       其他使用纯粹来自无人机惯性测量单元模块的数据，或将这些数据与其他一些传感器的数据融合在一起。


       存在的问题
       在系留场景中为无人机供电的方法是该解决方案的一个重要特征，因为电缆中的能量损失与其长度成正比，考虑到一些解决方案在高于100米甚至高达1公里和11公里的高度运行，其能量转移解决方案对项目有很大的影响。
       大多数对于tUAV的讨论实际上并没有描述系绳的机械，电气或数据传输特性，一小部分仅描述了系绳的机械或电气方面。


       电气特性以及电缆材料有更详细的描述，要被认为是完整的，描述就必须提供用于无人机的能量传输、数据传输和机械支撑的电缆的定义。
       对于户外应用，GNSS是某些解决方案中用于定位的选项，要么仅使用GNSS数据或将其与IMU数据耦合，在某些情况下，通过测量系绳参数来估计无人机的位置也是一种解决方案。


       这是通过测量系绳张力、角度、张力和角或将其与IMU读数融合来实现的，少数例子中使用纯IMU数据，列出了与推进方法和每个推进方法的操作高度相关联的出版物的分布。
       可以观察到的一个结果是，虽然使用轻于空气的飞机tUAV的主要集中在高于100米的高度并且达到20公里，但那些喜欢多旋翼推进的几乎均匀分布在所有高度等级。


       固定翼飞机在操作高度方面的解决方案不太集中，一些使用的高度在11米至20米范围内或21米至100米范围内，就像比空气轻的飞行器一样，大多数都集中在高于100米的高度上。
       这在其他应用中不会发生，毕竟改变了控制回路中考虑的力和定位技术，这使得通过系绳从地面到无人机的任何能量转移都不可行，在另一个范围内，风能收集应用必须考虑将无人机保持在空中所需的能量。


       因为更高的能源需求违背了范围的主要目的，尽管每个示波器负责不同比例，但还是可以得出结论，所有主要应用示波器都有助于对tUAV日益增长的兴趣。
       与自由飞行解决方案相比，tUAV的主要优势之一是由于动力从地面传输到无人机，飞机可以长期运行，另一个优点是由于没有车载电池而增加了有效载荷能力，支持tUAV的最后一点是在地面上添加一个定位良好的点。


       这有助于无人机的定位，以估计其相对于已知地面点的位置和姿势，主要缺点是系绳主体缺乏感应，这迫使算法根据无人机中存在的传感器估计系绳的姿势，另一个缺点是系绳长度有限对无人机机动性产生了限制。
       解决的主要问题是系绳连接中涉及的力的估计、风效应的补偿、系绳姿态的估计、负载的稳定以及无人机的路径规划，大多数tUAV研究都使用多旋翼飞机模型。


       然而对于每个主要应用范围，最常使用不同的推进方法，负载运输范围主要是使用多旋翼tUAV，但有些却探讨了固定翼飞机甚至直升机的应用作为可行的解决方案。
       能量转移方法以及系绳的组成基本上没有在出版物中描述，这表示难以重现所提出的解决方案或将其转换为不同的方案，实际描述其能量转移技术的大多使用超过100V的直流电压以最大程度地减少系绳中焦耳效应引起的损失。


       因此高直流电压为通过长系线传输电力提供了更好的解决方案，但现阶段基本上仍然没有对系留无人机场景中的动力传输进行标准化。
       控制块大多从某种形式的PID架构开始迭代，甚至专注于控制解决方案的工作也从PID基础开始，并在其上应用了一种新颖的方法，应用于控制块的进化或机器学习算法只是少数。


       PID控制回路上的强化学习甚至更少，PID的这种优势主要是由于经典方法的鲁棒性，即使在不确定的情况下也能提供良好的结果。
       分析结果表明，使用了经典的PID控制或在其上构建的变体，在系统设计的这一块上几乎没有创新空间。


       结论
       从控制的角度来看，发现的最显著的进步是开发系绳姿势估计算法，该算法允许无人机控制系绳姿势以实现各种目标，例如避免系绳碰撞，在飞行过程中保持系绳朝风以及在多个无人机之间均匀分配负载张力。
       在能量转移领域，定制能量转换器的发展可以说是主要发展，由于无人机的有效载荷限制，这些转换器能够传输数百瓦的功率，同时保持电路和电线重量较低。


       关于传感器方面，开发能够测量系绳角度和张力的定制传感器可以被认为是主要成就。
       未来的调查应侧重于在现实世界场景中实施出版物中提出的解决方案，因为部分出版物使用模拟来验证他们的建议，而其他出版物则在受控的实验室环境中测试了他们的实施。


       在这个问题上，将解决方案置于恶劣的现实场景下可能会突出模拟或实验室控制测试中未考虑的问题。
       一些在模拟场景中难以建模但在实际测试中易于实现的元素，比如飞行和陆地动物的存在及其对系统的影响、昼夜循环及其在温度、光照和风等环境条件下提供的变化、电子和机械系统中存在颗粒沉积物以及海事应用的海盐效应。


       另一个开放的研究领域是tUAV在农业解决方案中的应用，该解决方案的长期特性可能被证明在精准农业中是有用的，特别是当与地面机器人结合使用以提供从地面角度来看不可行的功能时。
       如果tUAV与地面元素合作，则可以在农业场景中大大增强定位，制图和路径规划任务。
       缺乏在农业领域支持无人机的基础设施，例如需要为其充电和由于恶劣天气条件而着陆的需要，都可以通过将无人机连接到移动地面车辆来管理，无人机可以在必要时从中获取动力和着陆。

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