基于灰色层次分析法的无人机回收系统评估

赵悦岑，娄文忠，汪金奎，刘伟桐，苏子龙

（北京理工大学机电学院，北京100081）

1 引 言

随着无人系统智能化水平的提高，无人机在多领域扮演着越来越重要的角色。无人机回收是无人机领域的重要研究方向之一，当前常用的无人机回收方式有伞降回收、撞网回收、着陆滑跑回收、垂直降落、气囊回收以及绳钩回收。伞降回收配有回收伞、开伞装置和控制机构，在指定空域上空打开降落伞，使无人机减速回收［1］；撞网回收通过在回收平台上设置拦阻网将其捕获，同时需要阻尼器对无人机进行能量吸收［2］；着陆滑跑回收以轮式起落架在跑道上降落，但与传统有人机降落不同的是配有自动导航着陆系统对无人机进行引导以及控制［3］；垂直降落回收是通过配置着陆反推火箭的推力抵消重力，实现速度缓冲至着陆的回收方式［4］；气囊回收在无人机落地前打开气囊后直接触地，气囊起到缓冲吸能的作用［5］；绳钩回收系统由捕获装置、阻尼器和导引装置组成，通过机翼钩住并锁住绳索对无人机进行回收［6］。当前已有的文献对于无人机回收系统的个性问题研究和综述性探讨较多［7-8］，近年对计算机视觉的研究［9-10］以及无人机路径规划方面的研究［11-13］也使得无人机回收效率大幅度提升，但缺少对于无人机回收系统的整体评估方法。针对不同回收方式在不同应用环境中的利弊，通过选取不同的指标对其进行评价，可以对不同情况下选择回收系统提出指导性建议，因此无人机回收系统进行有效评估变得十分必要。本文使用层次分析法与灰色综合评价法相结合的方法对六种当前主流的无人机回收方案进行评估，借助专家经验，确定各层次指标的权重，在定性分析的基础上通过灰数量化处理，将人的主观判断用数量形式表达和处理，减少个人主观臆断所带来的弊端，使评估结果能反应实际应用需求。

2 无人机回收系统评估指标体系构建

2.1 无人机回收系统评估指标体系

安全性是无人机回收过程中考虑的重要指标之一，目前非战斗损伤的事故中，80%以上无人机的损毁发生于完成飞行任务返航回收阶段［14］，回收过程是一个非常重要且容易出现故障的阶段［2］，无人机回收故障不仅造成无人机自身损毁，还将对地面人员和财产带来威胁。同时，无人机回收系统能否应用取决于系统对于回收时周围环境因素的需求，如舰上无人机回收受回收跑道［8］和舰船上空扰流限制。无人机还会受到返航时的自身条件限制，若无人机尺度太大将可能无法得到有效减速，从而损坏无人机本身以及回收系统。此外，回收所需的时间以及需要操作人员数量也是考察的一个重要标准，回收过程中无人机回收系统及地面人员极易受到攻击，因此无人机回收系统需要保证快速安全，具备高效回收能力并且对操作人员的要求不应过高，保证灵活便捷的回收无人机。无人机回收系统成本是考虑的影响因素之一，商业应用中对无人机回收系统成本极为敏感［15］。通过以上六个指标构建了无人机回收系统评估指标体系，如图1所示，基本覆盖了无人机回收系统的评价指标。

2.2 评估指标量化分析

在评估计算中需要确定无人机回收系统各项指标值，采用定性分析与定量计算相结合的方法，某些指标可采用最关键影响因素来衡量，某些指标则采用多种性能的组合进行评定。对第一层级指标主要采用专家调查法、德尔菲法进行确定，不同的评价指标进行两两相互比较，尽可能减少性质不同的因素相互比较困难，以提高准确度，同时采用层次分析法常用的1-9 标度，形成比较矩阵。对第二层级的指标则采取灰色关联度方法，就影响因素之间发展趋势的相似或者相异程度进行定量，若不能定量则根据定性在1～10间进行标度。

图1 无人机回收方式评估指标体系Fig.1 UAV recovery method evaluation index system

安全性主要通过回收过程中对无人机可能造成的伤害以及回收过程中的失效性进行判断。伞降回收虽然失效性较小，但着陆时飞机下降速度较快，着陆瞬间机体会受到较强烈的冲击，容易造成不同程度的损伤，如果降落到水中，机载设备、发动机等会被水浸泡甚至损坏［16］。撞网回收和绳钩回收的失效性均较高，且阻拦网和阻拦绳会对无人机造成损伤，并且绳钩回收对无人机机翼强度要求更高［17-18］。

成本包括回收系统本身成本以及对于系统后期维护费用两方面。着陆滑跑回收需要精准的自动导航着陆系统，完善的降落跑道，回收系统成本相对较高，但维护成本较低。气囊回收的成本仅为气囊本身，但由于气囊多为一次性使用，因此成本较高。垂直回收的成本主要为着陆前进行减速的反推火箭成本，部分回收系统也可用无人机自身的发动机替代，且无其他维护成本，但会加大油耗［3］。

人员需求可分为定量确定回收过程需要多少操作人员，定性分析操作人员在回收时的操作难度。撞网回收需要有操作人员时刻关注监视器的状况，根据无人机的实时位置，来半自动地修正无人机飞行路线，对准飞向拦截网，同时落入网中的无人机需要操作人员将其取出，所需操作人员多且难度大。降落伞回收需要大量人员搜索无人机甚至对其进行打捞，但操作难度最小。

降落环境一部分为回收系统能够适用的场地类型，另一部分则为天气对回收系统的影响。伞降回收适用于机场、湖泊、海面、舰艇、礁岛、山区六种场地，但受风向风速影响较大，回收方向要为顺风侧。气囊回收以及垂直降落可适用于除舰艇外的其他五种环境，且均受风速风向影响较大，容易失控。撞网回收对飞行航向有要求，绳钩回收在航向方面相对较为自由。

由于材料、阻尼等性质的限制，使得能够回收的无人机类型以及对于无人机进场速度，导航精度的要求也有所不同。若进场速度过大，无人机规模较大，可能无法进行有效减速，损坏回收系统；若无人机导航精度不够，会导致无法准确回收。

表1 无人机回收方式与无人机自身因素Table1 UAV recycling method and drone factors

3 层次分析法及灰色关联分析法原理与步骤

3.1 层析分析法确定权重系数

对于第一层次的六个影响指标，拟采用层次分析法来确定所对应的权重。层次分析法的主要思想是将两两因素之间的重要程度作出比较而建立判断矩阵，以判断矩阵的最大特征值所对应特征向量作为不同因素的重要性程度的权重。

各层级的权重系数代表各指标的重要程度，计算每一个判断矩阵中各指标的相对权重。

其中，ω为判断矩阵的特征向量，代表一级指标相对于目标层的权重。

另外，所给的判断矩阵是否存在不一致性还需要检验，检验的指标为一致性比例，其计算公式为：

其中CI为一致性指标，公式如下：

λmax为评价矩阵的最大特征值，n为影响指标的个数。另RI为平均随机一致性指标，其对应的值可参见表2。

表2 RI的值Table2 RI values

当CR＜0.1 时，认为判断矩阵一致性通过检验，否则做适当修正［19］。

3.2 灰色关联分析法

灰色关联度，就是影响因素之间发展趋势的相似或者相异程度。首先需要建立灰色综合评估模型，然后根据各种评价指标的权重进行综合评估。

若无人机回收系统有m个，影响权重有n个，则参考的数列和待比较数列分别可设为

由于不同的指标可分为效益型和成本型，成本型指标起负作用，而效益型指标起正作用。因此，要先对指标属性值进行0-1规范化后再进行评估。

对效益型和成本型数据，其变换公式分别如下：

计算比较数列（待选单位）zi对参考数列（理想单位）z0在第k个指标上的关联系数公式为：

其中ρ∈[0，1]为分辨系数，一般选取ρ=0.5。

图2 评估过程流程图Fig.2 Evaluation process flow chart

第i个待选单位的灰色加权关联度的计算公式为：

其中ω为n个影响因素所对应的权重，ηi(k)为公式（9）所计算的关联系数。如果待选单位的关联度越大，则其评价结果就越好。

4 无人机回收系统计算

4.1 建立判断矩阵确定各指标权重

根据大量文献调研及专家打分，通过对各层次中指标的权重进行两两比较，创建无人机回收系统评价矩阵如表3所示。根据公式（3）进行一致性检验并根据公式（4）计算得到各指标权重ω，见表3。

4.2 计算灰色关联系数及关联度

通过灰色关联对指标分别进行定性和定量分析，无人机回收系统评价指标数据如表4所示。

先将矩阵数据判断为效益型或成本型，根据公式（7）（8）进行标准0-1变换后再通过公式（9）计算可得灰色关联度η，见表4。

表3 无人机回收系统评价矩阵Table3 Evaluation matrix of each evaluation index of the drone recovery system

由计算可知，伞降回收的灰色关联度最高，故伞降回收为综合评估最优的回收方式。目前大多数无人机仍采用伞降回收，在发生意外时防止无人机坠毁减少损失，这与本文的评估一致。这主要是由于伞降回收的安全性高，很少会发生失效，并且性价比远高于其他回收方式。同时伞降回收对于回收场地几乎没有限制，在任何情况下都是十分有效的。但伞降回收精度达不到预定的要求，无人机着陆点偏离指定区域范围的误差过大，需要对伞降回收技术进行提高改进。

表4 无人机回收系统评价指标数据Table4 UAV recovery system evaluation index data

通过公式（9）对各指标中，每种回收的灰色关联度进行计算可得图3。

计算所得关联度越高，代表该回收系统在此评价指标下的综合评估结果越优。由图2可知，气囊回收的安全性是最高的，伞降回收和着陆滑跑回收安全性虽略低于气囊回收，但性价比均高于气囊回收，同时所需人员也少于气囊回收。此外，撞网回收，垂直降落以及绳钩回收对于降落环境的要求均不高，可适用于各种复杂地形和恶劣天气的无人机回收。需要进行高效无人机回收时，垂直降落的回收时间是最短的。着陆滑跑回收对无人机自身要求较低，适用于多种类型的无人机，在大中型无人机回收中使用最为广泛。

图3 不同指标下无人机回收系统灰色关联度Fig.3 Grey correlation degree of UAV recycling system under different indicators

由专家打分结果计算可知，降落环境是评估系统中所占比重非常大的指标，为进一步判断安全性权重对于评估结果的影响，在前文专家打分的基础上，保证其他权重不改变，将降落环境从小到大变换，计算各回收方式的灰色关联度，为方便比较将数据表示为折线图，如图4所示。由图可知，伞降回收和着陆滑跑回收方式的灰色关联度交替处于最高值，证明这两种回收方式的综合评价结果很好；其中，着陆滑跑回收曲线变化幅度最大，其受降落环境影响是最大的，主要由于着陆滑跑回收需要回收跑道，而一般丛林环境、山地环境、舰艇等环境下都不能修建跑道。撞网回收在降落环境权重提高的情况下缓慢提升，因其对于环境的因素相对宽松，在舰艇等环境下均可使用；而气囊回收灰色关联度则呈现下降趋势，主要由于气囊回收对降落时天气要求较高，如大风条件下不便于使用气囊回收；另外，绳钩回收以及垂直回收的灰色关联度受安全性影响均不大，与图3计算结果一致。

图4 降落环境对评估结果的影响Fig.4 Impact of environment on grey correlation

降落时间也是在无人机回收系统选择的一项重要评估指标，参考降落环境的处理方式，改变无人机降落时间权重得出图5。由该图可知，伞降回收以及垂直回收的灰色关联度均受该指标影响较大。其中，撞网回收、绳钩回收、着陆滑跑回收以及气囊回收受降落时间的影响并不大，所以在该指标权重增加时，整体评估未发生太大变化；而伞降回收的降落时间较长，如伞降到海面上需要人员搜寻打捞，难以实现快速回收，故随该指标权重增加，整体评估情况变差，该指标成为伞降回收总体评估的短板；此外，垂直回收的回收时间是最短的，可以实现快速回收。

5 结束语

图5 降落时间对评估结果的影响Fig.5 Impact of time on grey correlation

本文建立了无人机回收系统评估指标体系结构，并将层次分析法与灰色综合评价法相结合，构建了数学评估模型，对不同需求指标下的适用性进行了综合评估。尽管层次分析法以专家打分为基础，但却能客观、有效地反映不同回收系统的优缺点，与灰色综合评价法的定性及定量分析相结合，可针对不同回收体系的改进提供参考和依据。回收系统计算验证结果显示，该数学模型合理有效，对无人机回收系统评估研究提供了一定的参考价值。