機載智能系統：有效提升無人機的環境適應性
（圖片來源於：http://www.flyrobot-images.de/）
引言
無人機技術，目前正蓬勃發展，用途也越來越多樣化。但是，為了讓無人機勝任嚴苛的環境條件下的工作，美國德州理工大學的研究人員開發了一種機載智能控制系統，有效地增加了無人機的環境適應性和可操作性。
無人機技術需要發展
無人機，正日益蓬勃地應用於商業和學術領域。公司以及政府機構越來越多使用無人機幫助其業務。研究人員也不斷地開發無人機新穎獨特的用途。但是，這項技術仍然是一個新興的、不斷演進的技術。從固定翼無人機到四軸飛行器，從大型飛機到小型玩具，無人機技術的用途和力學機制，才剛剛被人們理解。
極端環境條件對於無人機的影響
為了提高無人機的可操控能力，它必須在任何環境條件下，例如極端天氣或者不確定環境中都可以操控。這些不確定環境條件，其實就是傳統的空氣動力學飛行器經常要避免的那些條件。一些列不確定性和干擾性的因素會擾亂傳統控制器的功能，導致性能顯著降低，帶來不穩定甚至是墜毀。
機載智能系統的設計
德州理工大學機械工程系的助理教授「Beibei Ren」和她的研究小組正集中精力解決這一問題。Ren，在非線性控制理論和穩定性分析方面擁有豐富的專業知識，她在模型和無人機方面開展研究。她是這篇名為「直升機系統的建模、控制和協調」的專題論文的領導作者。他們將機載智能設計添加到飛行控制系統中，以適應未知擾動和極端飛行條件。
（圖片來源於：德州理工大學）
Ren 領導了動態智能系統、控制與優化（DISCO）研究小組，她這麼評價他們的工作目標：
「「我們想要擴大控制理論的範圍，從而最大化對於不同系統的控制影響」。對於無人機來說，我們對於開發高級控制策略特別感興趣，這些控制策略讓無人機可以部署在極端和不確定的環境條件下，以完成複雜艱巨的任務。」
這些具有挑戰性的條件包括：讓無人機靠近風力渦輪機飛行，測量渦輪機的健康程度；讓無人機在船上登陸，過程中要考慮到風力、洋流和船舶本身的運動。
新型魯棒控制系統
最近，Ren 和她的合作夥伴一起開發了一種「針對無人機的、基於不確定性和擾動評估（UDE）的新型魯棒控制系統」，以提高無人機在極端環境條件下的可操作性。
這種基於UDE的魯棒控制，「可以對於不確定性和干擾，進行快速評估和補償，顯著地提高了系統的穩定性和魯棒性」。
在模擬和實驗研究中的初步結果表明：基於UDE的魯棒性系統易於實現，而且比現有的魯棒性控制方法的性能更佳。
Ren 是這麼評價這套方案的：
「我們正在開發的一款無人機，將一切控制都通過機載，它搭載了智能控制系統，這表明無人機已經能夠在「任何時間」、「飛向任何地方」、「完成不同的任務」。設想你擁有一個「不同的模型」、「不同的系統」、你的控制系統演算法需要被改變。有時，這些差異使得系統參數或者屬性變得不同，所以你必須設計一個巨大的控制系統，以便在「這些平台上都可以安全準確地飛行」。這也就是我們的研究正在進行的工作。
結合具體應用案例分析
基礎設施健康監測
（圖片來源於：http://kilmanjaro.ca/）
Ren 認為，無人機一種可能的應用，就是「基礎設施健康監測」。這可包括油氣管道監測、檢查橋樑或者道路結構的完整性、或者移動高速公路交通監測和協調。
然而，在西德州有一個典型案例，就是「使用無人機監測風力渦輪機」，尤其是在南部平原的大型風力農場。通常，這項工作是由一個人出去完成，然而使用一組無人機在監測風力渦輪機健康，會顯得更加高效。
但是，當無人機飛至離渦輪機（成本最高達2百萬美元）很近的時候，一些問題就產生了。這些問題中，讓人印象最深的都和距離相關：「GPS技術的準確性」、或者「無人機能夠飛得離渦輪機多近」，通常差不多只有2到5米。
然而，對於使用儀器準確讀出監測結果，判斷渦輪葉片完整性來說，這個距離並不夠近。所以，Ren 的團隊正在開發的控制系統，可以讓無人機飛得離風力渦輪機更近，同時還要考慮到由巨大的葉片產生的風流和其他因素。
Ren 說：
「美國能源部最近提到，他們對於使用無人機進行基礎設施健康監測有興趣，但是他們對此也有很大的憂慮，如果無人機控制系統不能很好地完成任務，那麼就會發生無人機飛進渦輪葉片的事故。所以，這需要十分準確的定位系統。」
Ren 認為，「準確性」，依賴於無人機機載的感測器和控制器。這也是Ren 的研究小組的工作焦點，開發機載智能，讓無人機能夠適應和特定的地點或者區域相關聯的各種變數。
海上搜救
（圖片來源於：http://kilmanjaro.ca/)
另外一項可能的無人機應用，就是和「海上搜救」。然而，讓無人機在大海中的船上登陸，也是極具挑戰性的。
船上登陸需要：「準確的相對導航」、「高度激蕩的船氣流中操作」、「在搖動的甲板上進行傾斜降落」。另外，在大海中，「陣風也會影響到無人機的操作」。而且在海洋中，「GPS技術或者攝像頭會面臨失效」。
在這樣的一種條件下，無人機似乎在「盲飛」。Ren 說，「我們正在進行的工作和這些挑戰息息相關。」然而，判斷控制系統是否得到改進，依賴於測試時獲取的數據。因此，判斷數據準確性和有效性，需要各個研究領域的專家。
Ren 和她的同事們可以判斷的是，無人機控制系統是否更加有效運作，以最佳的方式搜集數據。他們也可以使用歷史數據提高無人機的穩定性和運行軌跡。
「準確性依賴於感測器，並且控制策略方面，正是我們的經驗所在。這就是是機載智能。我們可以和那些專家進行實時交互和合作，但是我們的目標就是為了提高飛行的穩定性，同時搜集數據。」
未來的工作
對於無人機來說，一項改進可能是相當明顯，但是目前還沒有被解決的就是：「電池續航能力」。目前的情況是，無人機平均每次飛行的時間，例如 Ren 使用的四軸飛行器，差不多是10到30分鐘。如果它攜帶更多的感測器設備，這些重量將會更快耗盡電池電量。
儘管，對於無人機方面已經有各種廣泛的研究，電池仍然是主要限制性因素。太陽能無人機可能是一個方案，然而Ren 認為，太陽能板的能量轉化效率不夠高。
這個方案，可能不在於電池本身，而是「建立無人機充電站」。無論無人機是在飛行、懸停或者降落在充電站上，無人機充電站都可以給無人機充電。另外，在某個區域具有大量的無人機充電站，不僅可以讓無人機進行快速再充電，而且可以增加他們的用途，例如幫助監測基礎設施的健康。
（圖片來源於：帝國理工學院）
然而，對於無人機充電站的方案，IntelligentThings 之前也有過介紹一種來自於倫敦帝國理工大學的新型無線充電方案，可以滿足無人機飛行，懸停，降落時的充電。它移除了無人機的電池，使用電感耦合技術，無線傳輸能量。雖然目前方案里商用成熟還有一段距離，但是有興趣的朋友可以參考一下。
參考資料
【1】http://today.ttu.edu/posts/2016/11/drone-ren
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