Effect of Pilot and Air Traffic Control Experiences and Automation Management Strategies on Unmanned Aircraft Systems Mission Task Performance

The demand for Unmanned Aircraft Systems (UASs) capabilities is rapidly increasing in the civilian sector. UAS operations, however, will not be carried out in the National Airspace System until safety concerns are alleviated. Among these concerns is determining the appropriate level of automation in conjunction with a suitable pilot who exhibits the necessary knowledge, skills, and abilities to safely operate these systems. This research examined two levels of automation: management by consent (MBC) and management by exception (MBE), in conjunction with pilot experiences while operating an unmanned aircraft simulator. The user experiences encompass three individual groups: pilots, air traffic controllers (ATC), and non‐pilot/non‐ATCs. Performance, workload, and situational awareness data were examined. Results show no significant differences among pilot experiences groups, automation strategies, or the interaction between these two. Limitations and design implications are discussed to help pave the way for future research. © 2011 Wiley Periodicals, Inc.     

The Effects of System Reliability and Task Uncertainty on Autonomous Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance under High Time Pressure

This study examined the effects of system reliability and task uncertainty on unmanned aerial vehicle (UAV) operator performance for the patrol and target recognition tasks. The primary task was image processing that entailed differentiating between targets and distracters, making necessary changes to the identifications provided by the automation, and processing images accurately within a 5‐s window. There were also 3 secondary tasks that are typical of UAV operations to which the participants had to respond as quickly as possible. Operator performance was measured as target image processing accuracy and image processing time as in the primary task and three secondary tasks. A 2 × 2 within‐subject design was used to assess the effects of reliability and target uncertainty. Both factors were found to be significant for primary task image processing time. In contrast, accuracy was not found to be significantly affected by either one of the independent variables.     

无人机虚拟现实仿真的设计与实现

讨论了在PC机上实现无人机虚拟现实仿真的系统结构、实现平台、模型和仿真数据库的组织实现方法。讨论了图形仿真各个子模块的实现方法,交解决了无人机模型的位姿自动校准问题。     

基于SoC的无人机航测视频信息叠加设计与实现

采用无人机航测平台标校光学助降系统光学下滑道指示角度时,需要确定无人机航拍穿越光学下滑道时刻航测相机镜头成像中心位置。首先需要获取无人机标校平台航测相机视频帧成像瞬时的精确时间,然后根据成像时刻GPS天线相位中心的坐标,结合无人机平台的姿态信息通过坐标转换得到拍照时刻航测相机镜头几何中心的坐标。本文设计并实现了一种基于SoC的无人机航测视频信息叠加方法,充分利用SoC内的嵌入式ARM核和媒体处理平台资源,ARM核心处理器的主要功能是完成与外设的通信及控制,专用的媒体处理平台完成音视频解码,采用SoC专用解码芯片的方案具有开发灵活和集成度高等优点。     

基于改进SIFT算法的无人机航空应急测绘系统设计

针对现有无人机航空应急测绘系统,不能适用于地表特征应急测绘,无法满足无人机航空大比例尺测图的实际应用需求,设计基于改进SIFT算法的无人机航空应急测绘系统;根据不同固定翼无人机产品的性能差异,分析传感器、发动机、无人机平台等硬件结构之间的系统架构,提出一体化的应急测绘系统设计方案,完成系统硬件设计;基于SIFT算法的应用原理,结合BRISK描述子参量,采用改进SIFT算法,对相关测绘特征点进行匹配处理,再联合已知的SIFT算法改进方向,完善测绘处置的基本流程,实现系统软件设计;实验结果表明,该系统的视频数据、光学影像、SAR数据中频率的最大值为7.06 Hz,空频时间的最大值为0.03,与CH-4航空应急测绘系统相比,该系统所获数据能够完全满足人机航空大比例尺测图的实际应用需求,且适用于航空摄影的地表特征,并为其提供了有效的应急测绘保障。     

过程仿真培训成绩的自动评定及其实现（Ⅱ）——培训成绩自动评分的实现

根据我们提出的一套综合的过程仿真培训系统自动评分方法,详细介绍了自动评分的实现方法,主要包括;自动评分实现方法、自动跟踪操作工的操作,评分标准和评分计算,本实验的特点是程序与评分标准相分离,便于实现软件的通用化,易扩充和易维护。     

面向无人机自组网编队控制的通信组网技术

随着技术的发展,多无人机系统协同作业的研究得到越来越多的关注。编队控制是无人机协同作业的关键技术,对具有动态信道与拓扑特征的无人机自组网的通信组网技术提出了极高的要求。首先介绍了无人机自组网编队控制的相关模型;基于此,从编队保持和重组、任务更新、编队可靠性等方面综述并分析了5种编队控制策略以及它们对无人机自组网通信组网技术的不同需求;最后展望了面向无人机自组网编队控制的通信组网技术的发展前景和方向。     

Design and implementation of an autonomous flight control law for a UAV helicopter

In this paper, we present the design and implementation of an autonomous flight control law for a small-scale unmanned aerial vehicle (UAV) helicopter. The approach is decentralized in nature by incorporating a newly developed nonlinear control technique, namely the composite nonlinear feedback control, together with dynamic inversion. The overall control law consists of three hierarchical layers, namely, the kernel control, command generator and flight scheduling, and is implemented and verified in flight tests on the actual UAV helicopter. The flight test results demonstrate that the UAV helicopter is capable of carrying out complicated flight missions autonomously.     

微型固定翼无人机机电性能测试与试验

为解决当前微型无人机机电性能研究较少的问题,研究了微型固定翼无人机静态和动态工作机电特性,建立该平台飞行功率与工作电流、拉力、螺旋桨风场等因素间的数学模型.以后退式无人机机体为基础,研究螺旋桨在旋转中不同平面中不同距离、工作电流等因数下无人机风场变化.最后通过该平台验证该无人机的工作特性和可行性.试验结果表明,无人机电机转速、拉力与工作电流呈对数关系,其拟合系数R2大于0.95,同时拉力与转速两者之间呈直线比例关系.随着无人机载重的不断增加,机翼变形也不断增加.从风场曲面得出距离螺旋桨15 cm处的风速最小,在左右5 cm处的风速最大,螺旋桨中心位置形成了一个低于最大风速的管道.此外,通过分析实验数据得到了平行和垂直于螺旋桨转动平面,及风场变化的三维曲面和等高曲面图等,曲面图直观反映无人机在不同工作电流的风场变化特性,为今后微型固定翼无人机的设计和应用提供必要理论依据.     

一套完整的基于视觉光流和激光扫描测距的室内无人机导航系统

提出了一套室内四旋翼无人机控制, 导航, 定位和地图构建的完整解决方案. 无人机机载系统包括三个主要传感器, 即惯性测量单元, 下视相机和激光扫描测距仪. 经过处理, 融合这些传感器的测量数据, 无人机能够可靠的估计自己的飞行速度和实时位置, 并且沿着室内的墙壁进行无碰撞飞行. 通过收集一个完整飞行实验的数据, 无人机的飞行路径和在室内的环境也可以被很好地估计出来. 这套系统中的自主导功能不需要任何远程传感信息或脱机计算能力. 这套室内导航方案的性能和可靠性已在实际的飞行实验中被验证.     

无人机侦察图像运动模糊复原方法研究

无人机具有体积小、使用方便以及战场生存能力较强等优点,在军事领域中应用越来越广泛。无人机进行情报侦察时,成像设备与拍摄物之间存在相对运动,使得拍摄到的图像出现模糊,严重影响后期的情报处理,因此如何提高模糊图片的质量成为无人机情报处理中的重要课题。介绍了在无人机侦察这一背景下图像运动模糊的降质机理及成像特点,对运动模糊复原领域中图像非盲复原与盲复原两类方法进行研究,从算法原理和实际应用两方面对每种算法的优缺点进行了总结。最后对无人机侦察图像运动模糊复原算法的发展趋势做出展望,实时性、适用性与智能性将成为算法的主流发展方向。     

Experimental evaluation of fault diagnosis in a skew-configured UAV sensor system

This paper presents an experimental evaluation of a hybrid fault detection and isolation scheme against three successive faults in skew-configured inertial sensors of an unmanned aerial vehicle (UAV). An additional small and low-cost inertial measurement unit is installed with a skewed angle to a primary inertial measurement unit. A parity space method and an in-lane monitoring method are combined to increase system tolerance to the occurrence of multiple successive faults during flight. The first and second faults are detected and isolated by the parity space method. The third fault is detected by the parity space method and isolated by the in-lane monitoring method based on the discrete wavelet transform. Hardware in-the-loop tests and flight experiments with a fixed-wing UAV are performed to verify the performance of the proposed fault diagnosis scheme.     

动压-过载约束下无人机追逃最优机动决策研究

针对动压-过载约束下的无人机追逃机动控制问题,为优化设计,提出了采用微分对策的时间最优机动决策算法。首先建立无人机追逃质点动力学模型,然后根据双方极值原理,建立系统在动压-过载约束与追逃性能指标下的哈密顿-雅可比方程,通过此方程将无人机追逃机动控制问题转化为两点边值优化问题,并利用配点法求解两点边值问题的数值解,从而获得相应无人机的最优机动控制策略。最后以某型无人机纵向追逃控制为例进行数值仿真。仿真结果表明,改进算法不仅能有效求解无人机追逃双方的最优机动控制策略,而且满足期望的追踪性能指标和动压-过载约束条件。     

大坝自动化监控与管理系统设计

大坝自动化监控与管理系统主要包括计算机网络、闸门自动监控、视频监视、大坝安全监测及水情测报与信息管理系统。本文对各部分的组成及基本功能进行了论述。     

基于DSP的飞行控制器的设计与半物理仿真

本文介绍了基于TI公司TMS3 2 0LF2 40 7ADSP的某小型无人机飞行控制器的硬件设计结构 ,详细介绍了系统的体系结构和各功能模块的作用 ,给出相应的飞控软件流程图和实时性处理方法 ,最后为了进一步验证FCC的各项性能 ,构建了一个半物理验证与仿真的闭环系统 ,并给出了仿真结果。     

基于PID和LQR的四旋翼无人机控制系统研究

为提高四旋翼无人机的飞行稳定性、无人飞行器控制系统的鲁棒性和控制精度,以建立的四旋翼无人机飞行控制系统模型为基础,采用现代控制理论与传统控制论相结合的方法,针对姿态角速率、姿态角分别设计内环LQR(线性二次型调节器)控制器,及外环PID控制的双回路闲环控制器.充分利用PID控制器易于掌握且对模型要求精度低、LQR控制器能改善内回路的动态特性和稳态性能的特点,完成四旋翼无人机的飞行控制.通过实验遴选该双闭环控制器相关参数并进行优化,实验结果表明所设计的双回路控制器控制性能指标良好.     

小型无人机空地数据链系统的应用研究

设计了一种适用于小型无人机的空地数据链系统；文中提出了详细的系统设计方案，对数据链的传输方式、传输内容、传输流程等进行了研究；并给出了系统的软件设计和实现方法。     

基于无人机图像的高速公路积水预警系统设计

雨后微干的路面往往容易让机动车驾驶员忽视路面的安全隐患。雨后高速公路路面形成区域性积水后,当高速行驶的车轮与积水区域相接触时,容易产生滑水现象,导致汽车失去部分或全部操纵性,这时极易导致交通事故的发生。针对此类情况设计了一套基于无人机图像的高速公路积水预警系统,该系统由图像采集、积水识别和积水预警三部分组成。利用无人机的机动灵活、覆盖面广和无线传输的特性对高速公路路面情况进行采集,并将其位置信息和路面图像实时传回远端服务器进行处理。通过图像灰度化、图像二值化、形态学运算、消除小面积区域等操作提取出传回图像中潜在的积水区域,然后根据计算出的潜在积水区域相应的形状特征参数判断其是否为积水区域。当远端服务器确认无人机传回的图像中存在积水区域后,通过电子地图、短信提醒、高速公路显示屏等多种方式将积水区域的位置和面积等预警信息告知机动车驾驶员,从而减少此类交通事故发生。     

无人机中继链路传播损耗及性能分析

针对两跳无人机中继通信场景,综合考虑机身姿态、天线特性、气候状况及信道衰落等影响,建立了两跳中继链路的传播损耗模型,分析了传播损耗均值的计算方法,推导了多径阴影复合衰落导致传播损耗随机起伏的统计特性。在此基础上,进一步推导得到了两跳无人机中继系统的中断概率与误比特率的理论表达式。最后,通过对郊区、山区和海洋场景的数值仿真,验证了本文推导的理论结果的正确性,并分析了无人机飞行高度、地面节点位置以及通信场景等因素对两跳中继系统性能的影响。     

变体飞机典型状态横航向动特性及控制研究

在变体飞机横航向动态稳定性控制的研究中,变前掠翼布局因存在固有的气动弹性发散和变体过程强气动耦合以及力学环境的诸多不确定因素,使本身的动态特性相当复杂.因强调隐身设计成飞翼布局,使稳定性下降,起飞、着陆性能变差,操纵和控制难度增大.针对上述独特变体结构,为成功解决变前掠翼布局飞行器的动态稳定性不足的问题,采用小扰动理论建立了三角翼状态无人机的横航向动力学特性模型,给出了动特性分析原理;设计了四个独立的升降副翼舵面代替常规操纵面;进而进行了仿真研究.仿真结果表明,无人机横航向是接近中立稳定或不稳定的;最后采用鲁棒特征结构配置的参数化方法,设计了横航向的控制律,仿真结果表明,上述控制律能够使系统快速达到期望的动态特性和稳定性要求,从而验证了上述方法的有效性且结果可信.可为变体飞机的动力学分析和飞行控制系统设计提供有益参考.