李广磊 张东宇 高晨
航天神舟飞行器有限公司 天津市 300450
摘要：在无人直升机众多的应用领域中，目标跟踪是当前信息化时代较为热门的应用领域，代表性的是舰载无人直升机舰船跟踪技术研究，同时该领域也是最早的无人直升机实战应用领域，。此外，在我国边疆辽阔、地形复杂的大环境下，无人直升机目标跟踪在边防反恐、社会治安等领域将会发挥极大作用，应用潜力巨大。
关键词：无人直升机；运动目标；跟踪控制系统；设计
1无人直升机概述
无人直升机（UMH）作为当前无人机研究的重要分支，是指具备垂直起降（VTOL）能力的可遥控、可自主或半自主飞行的无人飞行器，按功能归属于垂直起降飞行器类，按构造形式归属于旋翼机类。在无人飞行器家族中，无人直升机具备独特的飞行能力与应用价值：与有人直升机相比其体积小、造价低、战场存活能力更强，几乎可以达到零伤亡；与固定翼无人机相比，具有起飞着陆场地小、垂直起降、空中悬停、操纵灵活等一系列优点；而与多旋翼无人机相比，无人直升机具有航程远、可靠性高、载荷大等不可比拟的优势。凭借着上述优势，无人直升机作为信息支援、勤务保障、火力打击等飞行平台，被广泛应用在监视侦察、目标打击、电子对抗、通信中继、战场勤务、搜索救援等军用和民用领域，随着现代战争形式多样化、联合化的发展，各国逐渐重视并纷纷加入到无人直升机的研发行列中。
2目标跟踪技术研究现状
2.1机载光电平台技术
机载光电平台是目标跟踪中的核心设备，相当于无人机的“眼睛”，用于捕获、锁定与跟踪目标。从信息获取手段上看，可以分为可见光、红外线、激光等，光电平台可集成其中一种或多种技术进行工作，使得其具备了覆盖范围广、分辨率高、实时性好等突出特点。同时，其性能好坏直接影响了无人机的作战任务效能。在应用场景中，光电平台测量系统悬挂在无人机机腹，在无人机运动过程中进行动态信息测量。随着无人机平台对光电平台性能的需求，各国纷纷加入到光电平台及其相关技术的研究行列中。进入21世纪后，随着国家对相关技术的重视以及无人机平台的快速发展，越来越多的研究机构和人员进入到机载光电设备的研制领域中，我国的机载光电设备相关技术发展进入高速发展时期。其中，具有代表性的是中航工业613所研制的稳定跟踪吊舱系统，其搭载了激光测距仪等传感器，使得测距范围最高可达15公里；同时，该型号瞄准线的稳定精度可达到0.05mrad，瞄准线跟踪精度也可达到0.4mrad。彩虹5无人机上搭载的由凯迈测控有限公司生产的plY-12型光电吊舱，其配备有彩色CCD摄像机、前视红外仪、激光测距仪等，稳定精度达到25urad。总体来看，我国光电设备的水平远远不够，这同时也制约着无人机的应用发展，相关研究机构也在积极追赶，加大相关投入和研发力度。
2.2目标运动建模技术
目标运动模型描述的是目标状态随着时间变化的过程，一个好的运动模型可以抵得上大量数据。此外，当前的目标跟踪算法都是基于模型进行状态估计的。因此，运动建模成为了目标跟踪中的关键技术点。而在Kalman滤波器被引入到目标跟踪领域之后，基于状态空间。为了使搭建的目标运动模型更加贴近实际运动情况，专家学者进行了大量的研究工作。当前主流运动模型主要包括描述非机动目标的常速（CV）模型和描述一般机动目标的常加速度（CA）模型，但这两种模型具有局限性，即加速度为常数，不符合目标运动的实际状态。尽管目标模型搭建技术有了长足发展，但是用单一的模型来概述目标的全部运动状态是不可能的，每种模型都存在一定的局限性。对此，而交互多模型（IMM）方法为多模型共同进行运动描述提供了可能性，该方法采用了马尔可夫过程来描述模型之间转移切换过程，由于其原理简单、易于实现、鲁棒性强以及具备并行能力的优点，近年来得到了广泛关注与应用。
2.3目标跟踪控制技术
目标跟踪技术的发展至今已有80多年，而随着当前空中平台—无人机技术的快速发展，使得目标跟踪再次成为当前的研究热点。在目标跟踪研究中，各研究机构、高校、私企及个人所选择的跟踪平台也是不尽相同的，跟踪控制方法也存在差异，但其研究思路和跟踪策略是值得借鉴的。国内外学者对目标跟踪问题进行了大量研究工作，而当前研究中多采用机动性能较好的固定翼无人机、四旋翼无人机、微型无人直升机为跟踪平台，规避了机动性不足的问题；同时，研究内容多为基于视觉的图像处理或将平台视为质点情况下的制导律设计，以理论研究为主，忽略了工程可控、可实现的技术问题，缺乏基于飞行平台特性的跟踪任务执行机制，工程实现难度较大。
3无人直升机运动目标跟踪控制系统设计
3.1全面分析，制定详细方案
设计无人直升机运动目标跟踪系统时，首先要明确此跟踪系统的目标，即运动目标是处于运动状态的。专业学者们提出了关于针对运动目标跟踪的多种跟踪方法，如基于特征、基于区域、基于模板和基于目标先验知识等的跟踪。但运动目标还存在着自身会发生多种变化的情况，单一的跟踪方法无法满足各种突发的情况，就会导致跟踪定位不准确，甚至是造成目标丢失。所以必须多角度全面的去分析运动目标运动过程中可能会产生的状况。其次，无人直升机具有复杂的运动特性。无人直升机在飞行时，摄像机对运动目标的运动状态进行收集，由视觉传感器做出估计反馈并得到运动目标的图像。在这一过程中无人直升机也处于运动状态中，很难从得到的图像中将运动目标提取出来。因此需要提出适用于不同情况下的控制系统策略，例如对无人直升机的建模、飞行控制、基于视觉下的控制作数据分析研究。再次，在跟踪过程中保证运动目标始终在摄像机的视野范围内，是视觉传感器进行图像反馈的基础。在无人机直升机上运用云台控制，使得摄像机在跟踪运动目标时能够更加稳定、平滑、清晰、连贯。最后，在设计无人直升机运动目标跟踪系统时，要综合将运动目标、摄像机与传感器以及无人直升机三者出现的情况都进行详细的分析，制定出更为全面的方案。
3.2无人直升机飞行控制器设计
在得到了期望的位姿信息和速度信息后，需要对飞行控制器进行设计，以便使无人直升机可以按照期望的状态飞行。整个无人直升机运动目标跟踪路径规划的算法流程范围分为五大部分：视觉运动目标跟踪、云台控制技术、无人直升机目标跟踪策略与路径规划控制和无人直升机飞行控制器，结合视觉目标跟踪技术算法和基于Sigmoid函数的轨迹规划方法以及云台控制技术，得到某型无人直升机算法的整体流程：①无人直升机和运动目标状态初始化；②通过无人直升机上视觉传感器对运动目标状态的量测；③将处理结果作为输入，进行云台的控制，使目标在摄像机视野中心，同时，量测结果也作为输入，利用目标跟踪算法进行目标跟踪；④所得运动目标状态估计作为基于Sigmoid函数的轨迹规划的参考点，根据某型无人直升机参数计算期望无人直升机的坐标；⑤重复步骤②③④直到形成无人直升机整个规划路径；⑥无人直升机按照规划路径飞行。
3.3数学建模，多算法促发展
为运动追踪控制系统建立数学模型，是设计控制器的基础。由于涉及物理力学和数学计算，数据具有复杂性且难以精准把握，使得建立准确的数学模型存在着难度。首先建立非线性微分方程组，通过旋翼空气动力学知识、飞行试验和模块优化组合三方面相结合，同时运用多种算法对数据进行运算，使得数据的精准。其次建立系统参数化模型，收集实际飞行数据建立数据库，通过系统自动辨识的方法，使在设计追踪控制系统时能够借鉴到参考方法，解决复杂的多种问题。
参考文献
[1]高红岗,高正红,邓阳平,等.鸭式旋翼/机翼飞机悬停状态飞行动力学特性[J].航空学报,2017,38(11):26-37.
[2]王云霞.基于线性自抗扰控制的无人直升机路径跟踪方法研究[D].南昌:南昌航空大学,2018.