军用无人机专业课题研究论文

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浅谈多旋翼无人机任务系统的优秀论文

前言： 随着无人机产品的不断增加，市场之间的竞争力，也逐渐的提升，对此本项目研究出了更适合于工业控制、自动化装备等领域产品的多旋翼无人机，产品不仅定位合理，同时与其他产品存在一定的差异，该任务系统，是指先进智能装备数据链的无人多旋翼任务，存在较高的能量利用效率、载荷运输性能，是其它无人机产品，在技术方面不能相比的;制定合理的市场规划，会给企业带来一定的经济效益。

1 多旋翼无人机定义概述

我们常称无人飞行载具，为无人飞机系统，主要是利用无线电智能遥控设备，以及自带的控制程序装置，对于不载人的飞机进行操控。其中广义的无人机，包括狭义无人机以及航模。

多旋翼飞行器，主要由动力系统、主体、控制系统组成，动力系统包括电机、动力、电子调速器、桨;主体部分包括机架、脚架、云台;控制系统包括由遥控接收器、遥控组成的手动控制;地面站，以及由主控、GPS、IMU、电子陀螺、LED显示屏组成的飞行控制器。其中四旋翼，是一种4输入6输出的欠驱动系统;通过PID、，鲁棒、模糊、非线性、自适应神经网络控制。近年来，对于系统的控制功能的研究趋势，为大荷载、自主飞行、智能传感器技术、自主控制技术、多机编队协同控制技术、微小型化等方向。其中一些关键技术为，数学模型的建立、能源供给系统、飞行控制算法、自主导航智能飞行。

2 控制系统改进发展阶段

多旋翼无人飞行器的控制系统，最初是由惯性导航系统，借助了微机电系统技术，形成了EMES惯性导航系统;经过对于EMES去噪声的研究，有效的降低了其传感器数据噪音的问题，最后经过等速度单片机、非线性系统结构的研究、应用，最终在2005年，制作出了性能相对稳定的多旋翼无人机自动控制飞行器。对其飞行器的评价，可从安全性、负载、灵活性、维护、扩展性、稳定性几方面要素进行分析。具有体积小、重量轻、噪音小、隐蔽性强、多空间平台使用、垂直起降，以及飞行高度不高、机动强、执行任务能力强的特点;在结构方面，不仅安全性高、易于拆卸维护、螺旋桨小、成本低、灵活控制的特点。

3 技术原理

3.1系统组成

无人多旋翼任务系统，总体技术方案框图如图1所示;如图所示，无人多旋翼任务系统，由无人机、地面工作站构成。无人机，由多旋翼无人机、任务载荷组成;地面工作站，由数据链通信单元、工业控制电脑、飞行控制摇杆等组成。

3.2系统技术原理

3.2.1多旋翼无人机，通过对于螺旋桨微调的推力，实现稳定的飞行姿态控制、维持。经过上述，对于多旋翼无人机、常规直升机、固定翼飞机的对比，可以明显的看出，多旋翼无人机，在任务飞行方面，具有多能量的优势，从而更好的执行完成飞行任务，改善了飞行姿态维持，消耗大量能量的缺陷，从而更好的保证了其能量利用率，直接产生续航时间、载荷运输性能的提升;在结构方面，做了大量的简化，省去了传动机构，使其运行噪音、故障概率、维护成本大大的降低。

3.2.2无人机，与地面工作站之间的通信，通过设备数据链实现连接，起到通信中介的作用，同好也是无人机、地面工作站之间，实现地空信息交换的重要桥梁环节。以往无人机，对于地空信息的转换连接，只是普通的点对点通信，收到信号传输距离的影响，性能发挥受到严重的影响，只能实现一些简单遥控数据信号的传输。

但是本项目，对于无人多旋翼任务系统的研究，是通过数据链协议MAVLink的研究后，将其合理的嵌入到控制核心、地面数据链的ARM平台中，有效的改善了以往低空信息传输环节存在的问题，将其遥测、遥信、遥控、遥调、遥视这五遥很好的进行了统一，保证了通信之间的无障碍，从根本上解决了无人机和地面工作站的数据通信问题。其中涉及到的.五遥;其中遥测，是指对于远方的电压、电流、功率、压力、温度等模拟量进行测量;其中遥信，是指对于远方的电气开关、设备，以及机械设备的工作、运行等状态进行监视;遥控，是指对于远方电气设备、电气机械化装置工作状态的控制、保护;遥调，是指对于远方所控设备的工作参数、标准流程等进行设定、调整;遥视，是指对于远方设备的安全运行状态的监视、记录。

3.2.3传统的无人机，在飞行时需要通过人工对于遥控器的操作，对其飞行姿态进行的控制，体现出其自动程序的不完善，功能单调等缺陷。但是本项目对于无人机的研究，在地面工作站，通过飞行任务规划软件的配套，有效的改善了以往功能单一的缺点，直接增加了其功能性。其中飞行任务规划软件，具备GoogleMap高速API接口，实现对于无人机飞行航线，在三维地图上的简易规划，同时也能对其航线进行启动，使其实现自动巡航、执行飞行任务、返航等操作。

4 技术关键点及创新点

4.1技术关键点：

4.1.1地空信息的的数据通信。

先进智能装备数据链协议MAVLink的应用，能够对其所有数据进行有效的整合，并全部归纳在数据链路中，整合五遥操作，有效的降低了多种通信制式、通信模块存在等方面的问题，提高了通信效率，保证了通讯功能得以有效发挥。

4.1.2解决飞行姿态操控问题

嵌入式操作系统，在ARM处理器平台上的应用，加上陀螺仪等传感器、卡尔曼滤波等先进算法，从而更好的保证了控制系统的功能增加，除此之外，不仅实现了无人操作飞行，在飞行操纵方面，也有效的降低了能耗，增加了能量利用率。

4.1.3在工业控制领域应用的扩展

本项目以同一载具+多种载荷的建设、研究思路，针对于型号相同的多旋翼飞行器，设计一样的数据、电气、机械接口的任务载荷，实现快速更换载荷，使其飞行任务之间，能够良好、稳定的切换、衔接，保证该系统的实用性，同时也减少了任务执行的成本。

4.1.4增强地面工作站功能

通过C/S架构、C#语言、.net平台、三维GoogleMap、SQL数据库，以及地面任务规划软件、分析数据分析软件，从而更好的增强地面工作站的功能，以及自动化、智能化的程度,更好的为用户操作，带来更多的便利。

4.2项目的技术创新性

4.2.1在无人机、地面站，在植入数据链MAVLink的同时，加强整体系统功能的改进，有效的实现了五遥的综合统一。

4.2.2卡尔曼滤波、四元数算法，加上嵌入式ARM平台，对其飞行姿态实现有效控制。

4.2.3同一载具+多种载荷思路的研究，实现了无人机，对任务执行模式的有效转换。

4.2.4同时地面任务规划软件、分析数据分析软件的应用，提高了系统的控制功能，以及系统智能化程度。

5 总结

综上所述，通过对于无人多旋翼任务系统的分析，发现我国针对于此方面的研究，仍存在很多不完善的地方，该项目通过C/S架构、C#语言、先进智能装备数据链、分析数据分析软件等，照比以往的无人机飞行器，在系统功能改进方面，实现了遥测、遥信、遥控、遥调、遥视的统一;在任务执行模式方面，实现了灵活转换;在飞行姿态方面，实现了智能操控;是在已有多旋翼飞控技术的基础上，有效的规避了其以往的缺陷，同时自主飞行控制软件编程，这种飞控任务的提供，有效的实现了飞行中，自主导航智能飞行。

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论文摘要：文章针对侦察无人机航路规划这一问题，分析了影响航路规划的因素，构建了航路规划的模型。结合侦察无人机航路规划的特点与模型，论证了基于蚁群算法求解的理由与优点，并对蚁群算法的初始信息素强度与启发因子进行了改进。最后以岛屿进攻战役这一特定作战任务为例。利用MATLAB实现了侦察多目标时的航路规划问题。 引言 航路规划是指在目标点与起始点之间，为运动物体寻找满足某种性能指标和某些约束的线路、路径。目前对于航路规划的研究主要用于导弹、鱼雷、飞机等飞行器的飞行线路选择上，对于无人机的侦察航路的系统研究还不多见。在文献[3]中虽然也应用蚁群算法进行了航路规划，但没有充分考虑到威胁点存在和目标点价值对航路的影响，且对蚁群算法没有进行启发因子和信息素初始强度方面的创新。在相关外文文献中，由于美军无人机航程较大，其航路规划的约束条件就相对较少，可供借鉴的内容也很有限。而针对岛屿进攻战役这一特殊作战样式的研究更是尚属空白。本文正是基于这一背景下对该问题进行研究，以实现在充分发挥无人机最大作战效能的同时，又尽可能地降低无人机被毁伤概率。 1、影响航路规划的因素分析 影响侦察无人机航路规划的主要因素有如下四个方面。 1.1 目标价值 目标价值是衡量某一时刻对某一目标实施火力突击必要程度的综合指标(用Vm表示)。可采用层次分析法获得各个目标的价值Vm，也可以再进行归一化处理，得到各目标的相对价值系数Ku，以此来衡量目标的重要程度。 对不同的目标实施侦察时，对于价值较高的目标可安排更长的有效侦察时间，而对于价值相对较低的目标，则应适当压缩有效侦察时间。 1.2有效飞行时间(距离) 侦察的主要目的是发现对己方有价值目标并及时描述目标的状态，因此发现目标的概率是航路是否合理的一个重要指标。距离目标越近，飞机上侦察设备能够搜索目标区的时间也就越长，发现目标的概率也就越大。 在执行侦察任务时，为了获得某一目标的有效信息，无人机必需接近目标并使目标处于其机载电子、光学侦察设备的作用距离内。如果为了实时监控某一目标，侦察无人机还必需在此目标的上空盘旋、停留，以使目标长时间地处于机载设备的监控之下。因此对目标的发现概率可以用有效飞行时间来表征。它表示侦察无人机对目标总的侦察、监控时间，为处理方便，若侦察无人机以等速率飞行，则其有效侦察飞行时间也可转变为有效飞行距离表征。 1.3生存能力 侦察无人机要完成侦察任务就必须具备一定的生存能力。而其生存能力主要与侦察无人机的隐形规避性能、敌方雷达、防空武器的性能等相关。即侦察无人机的生存能力既受本身的易感性、易损性、可靠性影响，也受敌方的侦察探测和打击能力影响。 从侦察无人机完成飞行任务过程来看，包括发射、正常飞行和突破拦截三个过程，若用概率Pf、Pl、Ps表示三个过程的完成情况。 1.4航程(油量)限制 航程是指侦察无人机起飞后，中途不经加油所能飞越的最大水平距离，即飞行距离。是表征侦察无人机远航和持久飞行能力的指标。由于其在地面一次所加的油量是有限的，因此它的航路必然受到航程的限制，且由于无线电的作用距离受限，飞机执行任务的位置不能超过其作战半径。 2、航路规划构模 侦察无人机多数情况下执行特定的侦察监视飞行任务，指挥员期望的目标是在有限的飞行时间与航程内发现尽可能多的目标，同时付出的代价最小。 就航路规划的约束条件而言，首先是威胁量不能超过指挥员的许可范围，其二，是侦察无人机总的飞行距离不能超过侦察无人机的航程。一旦两者之一不能成立，表明要求的任务是无法完成的，即 3、蚁群算法及其改进 蚁群算法作为一种新的计算模式引入人工智能领域，被称为蚂蚁系统，该系统基于以下假设： (1)蚂蚁之间通过环境进行通信。每只蚂蚁仅根据其周围的局部环境做出反应，也仅对其周围的局部环境产生影响； (2)蚂蚁对环境的反应由其内部模式决定； (3)在个体水平上，每只蚂蚁仅根据环境做出独立选择。在群体水平上，单只蚂蚁的行为是随机的，但蚁群通过自组织过程形成高度有序的群体行为。 3.1 基于蚁群算法进行航路规划的特点 基于蚁群算法的侦察无人机航路规划方法，能够保证在航路制订时得到一条具有较小可被探测概率及可接受航程的飞行航路，这种航路规划方法还具有以下特点：(1)在蚂蚁不断散布生物信息激素的加强作用下，新的信息会很快被加入到环境中，而由于生物信息激素的蒸发更新，旧的信息会不断被丢失，体现出一种动态特性； (2)最优路线是通过众多蚂蚁的合作被搜索得到的，并成为大多数蚂蚁所选择的路线，这一过程具有协同性； (3)由于许多蚂蚁在环境中感受散布的生物信息激素同时自身也散发生物信息激素，这使得不同的蚂蚁会有不同的选择策略，具有分布性。这些特点与未来战场的许多要求是相符的，因而采用蚁群算法对侦察无人机的航路进行规划具有可行性与前瞻性。 3.2蚁群算法的改进 (1)ij(t)的初值 为了更好的考虑威胁，在定义在初始条件下定义轨迹强度不同，根据蚂蚁选择路线最优选择轨迹强度高的路线，而无人机的航路规划中则应该更优的选择距离威胁点较远的航路。那么可以定义轨迹的初始强度与距离成反比。即与威胁点越近的路线，信息素强度越小。对于两目标点间的每条路径，其信息素轨迹初始强度。 4、基于改进蚁群算法的侦察无人机航路规划的实现 4.1航路规划的初始条件 蚁群算法用于航路规划主要运用在对多目标实施搜索侦察的航路规划问题，即航路规划需要得出的是飞行经过各个目标的数量和次序，以使侦察无人机经过尽可能多的目标点。 在进行初始规划的过程中，为更方便蚁群算法的实现，首先确定坐标系，将上述各目标点及威胁点用坐标系来表示，这样可以便于实际的运算。 假设在岛屿进攻战役中以某市为坐标点(100，100)的位置，以3公里为1个坐标系单位长度建立平面直角坐标系(这是在充分考虑了将主要有价值点都包括在一个(120×120)的范围内而合理构建的)。则可以确定上述各点的坐标系位置，得到各点坐标。同时各个目标点的价值系数通过层次分析法可求得到结果(具体过程略)。 4.2蚁群算法模型的实现 4.2.1蚁周系统的各初始参量的确定 为计算和表示方便，将目标点定义为向量Mi(其中i＝1，2，3，…，12)，威胁点定义为向量Ti(其中i＝1，2，3)。采用蚁群算法实现目标点的类旅行商(TSP，Traveling Salesman Problem)问题，目前已经开发的蚁群算法包括蚁密系统、蚁量系统和蚁周系统，而实际应用多数应用后者。为模拟系统中蚂蚁行为的方便，定义标记。 4.3蚁群算法模型分析 通过比较的方法，定性分析各个情况下的目标函数值和航路规划图。不难发现在考虑了目标点价值和威胁点威胁的情况下，航路尽可能地避开了威胁并优先选择通过目标价值较大的点。这样无人机的被毁伤概率较低，且如果发生被毁伤事件时，已经发现的总体目标价值最大。 针对四种情况进行定量分析，假设指挥员的倾向性为0.6，即略侧重于考虑威胁代价。2000表示对每个目标的有效侦察距离均为2000m，计算目标函数的值，可见考虑完备时虽然航路总长最大但总体的目标函数值也最大，航程最优，即侦察无人机应按照依次通过这些目标点。 5、结束语 通过上述分析，在给定侦察无人机的侦察任务情况下经运算可求得最优的初始航路，它可以有效地提高无人机的侦察效能，降低无人机的被毁伤概率，它对于目前军事斗争准备中如何使用侦察无人机具有一定的指导意义。随着我军侦察无人机性能的提高及型号的不断丰富，在对未来岛屿进攻战役中如何对这些机型进行航路规划尚有待于进一步探讨。

军事装备学是一门内容丰富的新兴学科，是现代军事科学的重要组成部分。 一、军事装备学的地位和作用 自从人类社会出现战争以来，作为战争工具的武器装备就成为武装力量的物质基础、军队战斗务的基本要素。因此，古今中外的军事家无不把发展武器装备作为一项重要的军事政策，对武器装备的发展、使用、管理都给予了极大的关注。毛泽东曾经鲜明地指出：武器装备是决定战争胜负的重要因素。 第二次世界大战以后，特别是80年代以来，随着军事高技术的迅猛发展和广泛应用，武器装备的性能发生了质的飞跃－－射程更远、精度更高、威力更大。在国际上多次发生的局部战争和突发事件中，交战双方都广泛地使用地高技术武器装备，特别是90年代初爆发的美伊海湾战争中，充分地显示了高技术武器装备的威力和作用。它向人们表明，在高技术条件下，武器装备特别是高技术武器装备，强烈地影响着战争的进程和结局，对战争的胜负正发挥着越来越重要的作用。 武器装备的作用还表现在它对军事领域的各个方面的影响。它不仅促使军队不断调整编制、体制，改变各军兵种的比例，导致过时军兵种的淘汰和建立新的军兵种，而且也引起战略战术思想、作战方式方法和军事学术理论的变革，同时，还对指挥方式、军事训练、战场建设、干部结构、后勤保障、军事基本制度等军队建设的各个方面都产生重大影响和变化。在和平时期，武器装备的作用也十分重要，武器装备建设是军队建设的重要内容，武器装备的现代化已成为世界各**队现代化和国防现代化的重要标志。 因此，加强武器装备学理论研究，探索武器装备的发展和管理理论，已成为世界许多国家军队研究的重要课题，对推动我军武器装备的发展，加速我军现代化建设将具有重要的现实意义和长远的战略意义。 二、军事装备学的创立和发展 虽然武器装备早在原始社会末期的战争中就已开始出现，但是，作为军事学的一个不可缺少的组成部分，武器装备理论长期以来并没有发育成一门科学的完整的知识系统，在现有涉及武器装备的理论著作中，绝大部分是武器技术原理著作、操作教程和知识读物，较为系统地阐述武器装备发展、管理与影响的基本理论著述很少。 我国设立军事装备学的时间更换。很长一段时期，我国的学位条例中根本没有把军事学列入国家的学科学门类。1983年12月，根据中人国民解放军学位领导小组的建议，国务际学位委员会决定增设军事学学科门类。1990年10月，国务院学位委员会和国家教育委员会正式颁发《授予博士、硕士学位和培养研究生的学科、专业目录》，共分11个学科门类，72个一级学科。军事学学科列第11位，下设8个一级学科、30个二级学科、279个研究方向（相当于三级学位）。8个一级学科是：军事思想及军事史、战略学、战役学、战术学、军队指挥学、军制学、军队政治工作学和军事教育学、军事后勤学、军事装备学是军制学3个二级学科之一。 1997年6月，为了“逐步规范和理顺一级学科，拓宽和调整二级学科”，国务院学位委员会和国家教委重新颁发了《授予博士、硕士学位和培养研究生的学科、专业目录》，对原二级学科进行了较大幅度的归并和调整。军事学门类的30个二级学科归并为19个，8个一级学科数量虽然未变，但内容进行了适当调整：军事思想及军事史改为军事思想与军事历史、军队政治工作不和军事教育学改为军队政治工作学，军事后勤学改为军事后勤学与军事装备学。这样，原属军制不一级学科的军事装备学二级学科，现成为军事后勤学与军事装备学一级学科共设的3个二级学科之一。 三、军事装备学的内容和方向 由于军事装备学是一门新兴的学科，所以目前理论体系还不十分完善，不仅某些理论观点尚难统一，而且其研究的内容和方向也存在着不确定性，甚至在我国各种权威的工具书或著作中都找不到军事装备学的词条或定义。例如：1997年版的《中国人民解放军军语》和1997年版的《中**事大百科全书》都没有列出军事装备学或武器装备学的词条。但是，也确实有一些专家、学者进行过这方面的尝试，如：国防大学的王厚卿教授在其主编的《现代军事学学科手册》中指出：“武器装备学是研究武器装备的现状、发展趋势、管理活动及其规律的科学。”军事科学院的学者认为：“武器装备学是研究武器装备发展、使用、管理基本理论的学说，是从军事学术的新视野探索武器装备建设和发展规律的学说。”但他们认为武器装备学与军事装备学不同，“武器装备学属于军事装备学的范畴，内容反映的是军事装备学的基本理论。”笔者认为：军事装备学是研究武器装备建设与发展、运用与影响、维护与管理活动及其规律的科学。军事装备学与武器装备学是同一学科的不同称呼，只不过武器装备不的叫法不规范。 按照笔者对军事装备学的定义，军事装备学主要有四大内容和方向：一是武器装备基础理论研究方向，主要研究武器装备的准确概念、基本属性、地位和作用；武器装备发展的基本规律、基本矛盾和主要特点；各种因素对武器装备发展的影响和制约；武器 装备发展的战略环境、重点、方针及基本依据；武器装备体制的合理构成等等。武器装备基础理论是武器装备不的重要组成部分，对武器装备的应用理论起着重要的支撑作用。二是武器装备建设与发展研究方向，主要研究武器装备发展的战略目标与政策；武器装备体制的合理构成与规划；实现武器装备现代化的道路与政策；各种因素对武器装备发展的影响；武器装备体系的合理构成等等。三是武器装备应用与影响研究方向，主要从战略和战役层次出发，研究武器装备在各种战役或战争类型中的应用；武器装备的运用方法；武器装备的强点和弱点；武器装备的对抗方法；武器装备对战争形态、战场特点、军队机动、夜间作战、作战指挥、作战保障、军事教育训练、军队体制编制等方面的影响问题。四是武器装备维护与管理研究方向，主要研究武器装备的技术保障；武器装备管理的意义、功能与原则；武器装备管理的体制与制度等等。当然，不同的军事际校或军事科研单位，对武器装备学的研究重点不同，有些比较宏观、抽象，有些比较微观、具体，有些侧重于与军事战略的结合，有些侧重于与战役、战术的结合，有些则侧重于与军事经济的结合。 总之，军事装备学是一门综合性很强的科学，它与战略说、战役学、战术学、军事后勤学、军队管理学、军事组织编制学、军事系统工程、军事运筹学，以及军事技术，军事历史等学科关系十分密切，并且相互影响、相互促进和发展。