小型多旋翼无人机地面效应研究综述
小型多旋翼无人机地面效应研究综述
本文是一篇关于小型多旋翼无人机地面效应研究的文献笔记，主要讨论了地面效应（GE）对无人机的影响，包括建模、控制和应用等方面。文章引用了大量文献，内容详实，具有较高的学术价值。
摘要
收集和讨论小型多旋翼无人机受地面效应的影响，尤其是从建模和控制的角度。对于旋翼飞行器来说，在离开或进入地面效应区域时容易发生事故，可能导致坠毁和财产损失。文章讨论了关于地效的建模、控制和应用，以及其他一些类似的效应，比如顶吸和墙吸。
总结
实验现象
- 地面效应在距离z<2R（有些多旋翼在z<5R）时有观测到影响，提供额外升力，或者说保持总升力不变时降低了旋翼功率。利用近地面飞行可以节能约10%。
- 顶吸效应在z<2R时出现。
- 侧吸效应没有给出具体生效的距离，但研究发现，对于靠近墙壁的叶片，升力会随着叶片方位角的变化而周期性波动。这些波动的升力在转子盘上产生力矩，力矩随转子-壁间距和姿态而变化。
方法上的讨论
目前还是需要更好的感知和算法，即传感器数据融合和机载实时数据处理。主要建模方法包括实验数据建模、参数化建模和动力学建模。参数化建模可以更好地拓展到不同机型，因为可以定义旋翼直径、旋翼间隔、旋翼数等。
主要控制方法归为四类：自适应、基于观测器、鲁棒、容错。控制器需要处理传感器问题和气动交互时的新模型。
应用方面
临近气动效应主要有三个应用：提升控制效果、被动临近估计、节能导航。应用方面的一个挑战在于未知局限环境下的自动导航。
未完成的工作
包括对新模型的广泛验证、新模型在控制架构中的应用，以及在未知封闭环境中的自主导航。作者认为基于计算机视觉和机器人技术的人工智能技术可以利用新解决方案的出现。
1 引言
从1930年至今关于地效研究的趋势，以及本文是第一次综述小型旋翼机的地效。
2 背景
悬停下的地效
在所有情况下，旋翼距地面大于两个旋翼半径（一个直径）时，地面效应变得可以忽略。
前飞时的地效
观察到地面会减少所需功率，但随着高度的增加，这种效应会迅速减弱。另一方面，在小高度和接近悬停的速度下，由于旋翼前缘的流体再循环形成和影响，实际所需的净功率可能会增加。
环境影响
Bludau等人[44]承认任意环境的影响，提出了一种实时模型来预测物体附近的旋翼机运动。
控制
包含模型的方法中，使用了特定的旋翼推力模型，其中推力取决于地面效应引起的诱导速度的减小。仅通过流场感知和建模就可以实现高度估计和控制。
流场研究
研究了小型旋翼的临近流场效应。这一发现激发了一项使用CFD（计算流体动力学）来研究悬停小型旋翼与平面表面之间流体相互作用的工作[54]。计算方法通过与实验结果、二维自由涡模型和现有文献结果的比较进行了验证。研究假设推力的变化会产生作用在直升机上的垂直力干扰Z¯，然后表征了Z¯与地面接近度的关系。
飞行测试表明，该方案可以仅使用机载惯性测量单元（IMU）提供对地面平面引起的干扰的合理飞行中估计。
建模
小型旋翼的地面效应建模引起了无人机社区的关注。
3 多旋翼
尽管相似，但直升机和多旋翼在机械结构和操作上存在很大差异。
控制
使用最多的方法是自适应控制。Guenard等人[9]提出了一个自适应高度控制器，该控制器在线估计四旋翼的全局推力系数（假设所有旋翼的推力系数相同）。注意到使用自适应控制器和估计器在四旋翼原型实验中效果良好（仅报告了0.5米以上高度的结果，在这种情况下，考虑到原型的大小，地面效应可能不显著）。
Lee等人[60]在模拟中比较了两种非线性控制方法：反馈线性化和自适应滑模。他们考虑了一个未知的加速度项，代表地面效应，同时设计自适应控制器。模型中加入了一个函数来表示地面效应引起的加速度。发现传统反馈线性化在应对不确定性和传感器噪声时不够鲁棒，而自适应滑膜控制器相对较好。
同一作者后来将滑膜自适应部分改成了神经网络，调整其权重来估计地面效应对z轴加速度、横滚和俯仰引起的干扰。在一个0.8kg无人机上测试，结果表明效果提升。
Hu等人[61]提出了一种控制结构，以实现四旋翼无人机在垂直振荡平台上着陆。控制器包括动作估计、轨迹生成和自适应鲁棒跟踪。控制器在离线计算机上执行，使用运动捕捉系统测量的垂直位置和IMU测量的垂直加速度。
一对作者探索了模型参考自适应控制（MRAC）在接近地面的四旋翼中的应用。当观察器或估计器用于在线估计控制回路中的内部或外部干扰时，控制策略通常被称为积极扰动抑制控制。
除了推力效率的增加，地面效应还会导致气压高度计测量的压强变化[75]，以及超声波传感器的距离测量变化[9]。
建模
在经典旋翼飞行器文献中，地面效应在静态条件下进行研究，本质上是针对固定旋翼的。即使在分析非固定旋翼飞行器时，数据也是在飞行器处于稳定悬停状态时收集的。已经报道了地面效应如何因不同类型的表面而异的证据。
应用
[80]中的作者利用地面效应进行盲地形映射。想法是让四旋翼在恒定高度和缓慢前向速度下飞越要映射的地形，同时记录平均旋翼速度和x-y位置。
使用类似的方法，[10]中提出了一种无传感器表面检测和估计程序。在这里，从地面的估计高度作为四旋翼的油门命令的函数计算（之前从实验数据中获得）。首先使用此估计来检测地面，然后用于降落无人机。报告了两个实验，其中四旋翼能够使用此策略自主降落。然而，估计显示仅在距地面10厘米以下时可靠，这可能导致坠毁。在同一项工作中，考虑了地面和天花板表面，以实现节能路径规划。从启发式能量关系，作者证明了在接近水平表面飞行时可以节省约10%的能量。
4 其他临近效应
第二常见的临近相互作用是顶吸效应（CE）[54,79,82,87,97]，当旋翼飞行器从下方接近水平表面时出现。