潘文俊, 樊戰(zhàn)旗, 王敏文, 孫遜

(西安飛行自動控制研究所 飛控部, 陜西 西安 710065)

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無人機飛行品質(zhì)評定準則探討

潘文俊, 樊戰(zhàn)旗, 王敏文, 孫遜

(西安飛行自動控制研究所 飛控部, 陜西 西安 710065)

摘要:基于無人機的任務(wù)特性,建議按照任務(wù)快速性與精確性的要求將無人機飛行階段重新劃分為4個階段;在此基礎(chǔ)上借鑒有人機飛行品質(zhì)主觀評定方法,修改給出了適用于無人機飛行品質(zhì)主觀評定的Cooper-Harper評價尺度;然后以縱向飛行品質(zhì)客觀評定準則為例,分析了有人機飛行品質(zhì)評定準則對于無人機飛行品質(zhì)評定的適用性,認為部分有人機飛行品質(zhì)準則可借鑒應用于無人機飛行品質(zhì)評定,但其準則邊界必須針對無人機的飛行特性進行修改。通過研究,初步形成了無人機飛行品質(zhì)評定準則研究框架,對無人機飛行品質(zhì)評定具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞:飛行品質(zhì); 無人機; 評定準則; Cooper-Harper評價尺度

0引言

無人機是近年來航空軍事領(lǐng)域中一支異軍突起的力量。隨著航空技術(shù)的進步,其任務(wù)包線迅速擴展,在多種任務(wù)場景中可以輔助甚至替代有人機,在軍民用領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用。

與無人機的迅速發(fā)展相比,無人機飛行品質(zhì)評定的研究工作卻進展緩慢,目前在工程設(shè)計中多直接選用有人機飛行品質(zhì)規(guī)范或簡單的任務(wù)指標進行評定。由于有人機和無人機的設(shè)計和操縱均存在不同,因此現(xiàn)行的有人機飛行品質(zhì)規(guī)范并不完全適用于無人機。有人機飛行品質(zhì)主要評定的是飛行員-飛機形成的這個閉環(huán)系統(tǒng)的交互響應特性。對于無人機而言,原來限制人機閉環(huán)的一些因素不再存在,如飛機過載、駕駛員響應速度等,故有人機與無人機的飛行品質(zhì)評定存在著顯著的不同,亟需研究專門針對無人機的飛行品質(zhì)評定準則,以便更好地指導無人機飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計。

已有研究主要對無人機飛行品質(zhì)的特性進行了有益探索,給出了相關(guān)研究建議,但較少對無人機飛行品質(zhì)的具體評定準則進行探討[1-2]。本文詳細討論了無人機飛行階段的劃分、主/客觀品質(zhì)評定準則,分析了有人機飛行品質(zhì)評定準則應用于無人機飛行品質(zhì)評定的適用性和可能性。

1無人機飛行階段劃分

飛行品質(zhì)總是針對相應的飛行階段而言的,因此在研究無人機飛行品質(zhì)前,首先必須明確其飛行階段的劃分。

GJB 185-86[3]中根據(jù)飛機在完成不同飛行任務(wù)時對飛行品質(zhì)的不同要求,將飛機飛行階段劃分為A,B,C共3個階段。各階段包含的飛行任務(wù)如下:

(1)A階段(戰(zhàn)斗階段)——要求急劇的機動動作,精確跟蹤或精確控制飛行軌跡的飛行階段,包括以下飛行任務(wù)要素(MTE):空戰(zhàn)(CO)、對地攻擊(GA)、武器投擲或發(fā)射(WD)、偵察(RC)、空中受油(RR)、地形跟蹤(TF)、反潛搜索(AS)和密集編隊(FF)。

(2)B階段(航行階段)——可能要求精確地控制飛行軌跡,但可通過緩慢的機動動作,無需精確跟蹤就能完成的飛行階段,包括以下MTE:上升(CL)、巡航(CR)、待機(LO)、空中加油(RT)、下降(D)、應急下降(ED)、應急減速(DE)和空投(AD)。

(3)C階段(起落階段)——通常采用緩慢的機動動作來完成,常常需要精確地控制飛行軌跡的飛行階段,包括以下MTE:起飛(TO)、進場(PA)、復飛(WO)和著陸(L)。

以上關(guān)于飛行階段的劃分是根據(jù)有人駕駛飛機進行的。隨著無人機飛行任務(wù)的拓展,原有飛行階段的劃分逐漸暴露出一些缺點。Mitchell等[4]認為原來的A階段太過寬泛,涵蓋了從空戰(zhàn)到偵察的任務(wù)范圍,在如此大的任務(wù)變化中使用相同的評定準則邊界不能夠有效地進行飛行品質(zhì)評定;B階段涵蓋范圍也較大,應該只適用于目視氣象條件;而C階段對于精確著陸等任務(wù)而言不夠嚴格。

圖1　建議的新飛行階段劃分Fig.1　Division of recommended new flight phases

Mitchell等建議根據(jù)飛行任務(wù)對快速性和精確性的要求,將原來傳統(tǒng)的3個階段劃分修改為4個階段,重新定義后的4個飛行階段與傳統(tǒng)的3個階段劃分的關(guān)系如圖1所示。主要是將原來的A,C階段中的MTE重新整理納入新的A,C階段中;而原來的B階段則被拆分為新的B,D兩個階段。ADS-33E中即是根據(jù)這種思想,將飛行階段重新劃分為4個階段[5]。

2無人機飛行品質(zhì)評定準則

2.1主觀評定準則

飛行品質(zhì)的主觀評定必須在一定的評價尺度下進行。有人機使用Cooper-Harper評價尺度(CHR)對其飛行品質(zhì)進行主觀評定,對于無人機,可借鑒CHR評價尺度的形式,將其修改為適用于無人機飛行任務(wù)評價的通用尺度[6],如圖2所示。

有人機CHR評價的是在選定任務(wù)或操縱中對飛行員的要求,而無人機CHR注重評價無人機系統(tǒng)在給定任務(wù)中的性能表現(xiàn),該尺度考慮了無人機執(zhí)行任務(wù)中的外界環(huán)境擾動,從而使評定結(jié)果更貼近實際應用。

2.2客觀評定準則

無人機與有人機最大的不同在于無人機通過傳感器感受運動并通過飛控計算機、作動器進行控制補償,而有人機運動感受和控制補償都是通過駕駛員進行的,由此導致了二者飛行品質(zhì)評價準則的不同。有人機飛控系統(tǒng)是基于“以駕駛員為中心”的理念設(shè)計的,其飛行品質(zhì)的評定準則也是圍繞駕駛員/飛機這個閉環(huán)系統(tǒng)的響應特性提出的,準則邊界多根據(jù)駕駛員在環(huán)的飛行品質(zhì)試驗結(jié)果得出,因此,多數(shù)評定準則是不能直接用于無人機飛行品質(zhì)評定的。

下面以縱向飛行品質(zhì)為例,通過對有人機飛行品質(zhì)典型評定準則的分析,探討將其用于無人機飛行品質(zhì)評定的適用性。

2.2.1頻率與阻尼比

頻率與阻尼比是對控制系統(tǒng)響應特性的一般性描述。GJB 185-86中關(guān)于縱向長/短周期的頻率、阻尼比、倍幅時間的規(guī)定是基于駕駛員評價得出的經(jīng)驗性指標,體現(xiàn)了駕駛員的響應能力及對飛機運動的補償能力。因此,將頻率與阻尼比這兩個在有人機飛行品質(zhì)評定中使用非常廣泛的指標應用于無人機飛行品質(zhì)評定時,需根據(jù)無人機自動/自主飛行控制系統(tǒng)的響應能力及其對飛機運動的補償能力,重新定義頻率、阻尼比的范圍,重點對頻率的上邊界、阻尼比的下邊界進行重新定義。

2.2.2操縱期望參數(shù)

操縱期望參數(shù)(Control Anticipation Parameter,CAP)是一個應用較為廣泛的短周期飛行品質(zhì)評定指標,其定義為駕駛員操縱飛機縱桿后,飛機初始俯仰角加速度與穩(wěn)態(tài)過載的比值,本質(zhì)上是駕駛員前庭系統(tǒng)對于俯仰角加速度與過載感受的敏感性的比值。CAP建立了俯仰角加速度與飛機穩(wěn)態(tài)過載的動態(tài)關(guān)聯(lián),而這種關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)是飛行員對這兩個物理量的感知。因此,雖然CAP的數(shù)學形式可應用于無人機飛行品質(zhì)評定,但具體的數(shù)值范圍必須修改才能適用,因為無人機是通過陀螺和加速度計來對角加速度、穩(wěn)態(tài)過載進行測量的,其測量靈敏度、測量范圍與人類駕駛員必然有所區(qū)別。

圖2　無人機飛行品質(zhì)Cooper-Harper評價表Fig.2　Cooper-Harper rating for unmanned aircraft vehicle

2.2.3低階等效系統(tǒng)

低階等效系統(tǒng)(Low Order Equivalent Systems,LOES)方法被廣泛使用于對高階系統(tǒng)的品質(zhì)評定中。評定時將高階系統(tǒng)等效為一個低階系統(tǒng)和一個純延遲的組合,采用“失配度”這一概念來衡量LOES對于高階系統(tǒng)擬配的精確性。

失配度邊界[7]反映了人類駕駛員不能察覺到的最大額外動態(tài)響應差異。如果低階等效擬配后的飛機動態(tài)響應特性超出了這一邊界,則駕駛員認為飛機響應與經(jīng)典飛機響應有差異。失配度邊界在駕駛員轉(zhuǎn)角頻率處有明顯的收縮,說明在這一頻率附近,駕駛員對于額外動態(tài)響應差異的感受非常靈敏。然而,對無人機進行低價等效系統(tǒng)擬配中,基于人類駕駛員得出的失配度邊界需重新定義,并考慮無人機系統(tǒng)的轉(zhuǎn)角頻率。

另外,LOES失配度邊界曲線是基于常規(guī)響應特性得出的,而無人機具有一些非常規(guī)的指令響應特性(如角速率保持指令、姿態(tài)保持指令等),相應地,失配度邊界也需要通過必要的試驗重新定義。

2.2.4Neal-Smith準則

Neal-Smith準則使用駕駛員模型與飛機模型構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)[7],通過分析該閉環(huán)系統(tǒng)對于俯仰跟蹤任務(wù)的完成情況來評價飛行品質(zhì)。準則的邊界由駕駛員在環(huán)的飛行品質(zhì)模擬試驗結(jié)果得出。該準則假設(shè)駕駛員通過視覺、觸覺完成閉環(huán)控制,并且努力調(diào)節(jié)自身的增益和相位,對俯仰跟蹤任務(wù)進行補償。閉環(huán)俯仰姿態(tài)跟蹤帶寬被固定為2.5 rad/s(著陸飛行時)或3.5 rad/s(機動飛行時)。由于Neal-Smith準則針對的是飛行員對給定系統(tǒng)的補償適應能力,因此對無人機系統(tǒng)作用不大。然而,基于這一準則發(fā)展而來的帶寬準則可以適用于不同系統(tǒng)性能的評價。

2.2.5帶寬準則

控制系統(tǒng)的帶寬體現(xiàn)了其在一定頻率范圍內(nèi)對輸入信號的跟蹤復現(xiàn)能力。飛行品質(zhì)中的帶寬準則是由Neal-Smith準則發(fā)展得到的。該準則未指定閉環(huán)俯仰姿態(tài)跟蹤帶寬,允許帶寬隨系統(tǒng)性能而變,因此擴大了其適用范圍。例如,戰(zhàn)斗機可能具有較大的帶寬,而運輸機的帶寬可能較小。

帶寬準則屬于頻域準則,具體定義為:45°相位裕度處或6 dB幅值裕度處對應的較小頻率之值。該準則的物理意義是人機閉環(huán)系統(tǒng)有一定的時間延遲或駕駛員將其控制增益增大為2倍而無需擔心會導致飛機運動發(fā)散。雖然帶寬準則是針對俯仰姿態(tài)閉環(huán)控制開發(fā)的,但也可以用于其他控制通道。

由以上分析可以看到,帶寬準則可以適用于無人機的飛行品質(zhì)評定,此時需要做的工作是尋找到無人機/傳感器系統(tǒng)的一個“最大帶寬”。在該帶寬下,無人機系統(tǒng)可以確保完成給定任務(wù)。

3結(jié)論

本文僅就無人機飛行品質(zhì)研究提出了建議與思路,評定準則最終的提出和確認需要飛行品質(zhì)模擬試驗與飛行試驗數(shù)據(jù)的支撐。通過研究,初步得出以下結(jié)論:

(1)無人機飛行階段可按照MTE對無人機控制的快速性與精確性的不同要求,重新劃分為4個飛行階段。這種飛行階段的劃分方式能夠更直接地定義不同性能要求下的無人機飛行品質(zhì)特性。

(2)無人機飛行品質(zhì)評價也可通過CHR進行,但具體內(nèi)容需要根據(jù)無人機的任務(wù)角色進行修改。

(3)有人機飛行品質(zhì)評定準則應用于無人機飛行品質(zhì)評定前必須進行適用性分析。從本文的分析結(jié)果來看,基于駕駛員模型的Neal-Smith準則不適用于無人機飛行品質(zhì)評定,其余縱向品質(zhì)準則也必須修改邊界才可適用于無人機。

參考文獻：

[1]陶于金,王建培.無人機飛行品質(zhì)標準研究[J].飛行力學,2010,28(1):13-15.

[2]戴寧,楊暉.無人機飛行品質(zhì)規(guī)范淺析[J].飛行力學,2005,23(4):13-15.

[3]國防科學技術(shù)工業(yè)委員會.有人駕駛飛機(固定翼)飛行品質(zhì)GJB 185-86[S].北京:國防科學技術(shù)工業(yè)委員會,1986.

[4]Mitchell D G,Hoh R H,Aponso B L,et al.Proposed incorporation of mission-oriented flying qualities into MIL-STD-1797A[R].WL-TR-94-3162,1994.

[5]US Army Aviation and Missile Command.Aeronautical design standard performance specification handling qualities requirements for military rotorcraftADS-33E-PRF[S].US Army Aviation and Missile Command,2000.

[6]Cotting M C.Evolution of flying qualities analysis:problems for a new generation of aircraft [D].Virginia:Virginia Polytechnic Institute and State University,2010.

[7]方振平.飛機飛行動力學[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005:109-110.

(編輯：崔立峰)

Discussion on flying qualities evaluation criteria of UAVs

PAN Wen-jun, FAN Zhan-qi, WANG Min-wen, SUN Xun

(Department of Flight Control, Xi’an Flight Automatic Control Research Institute,Xi’an 710065, China)

Abstract:Based on the task characteristics of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), we proposed flight phases of UAVs to be divided into four phases, according to the control requirements of aggressiveness and precision. Referring to Cooper-Harper rating scale for the piloted aircraft, a Cooper-Harper rating scale for evaluation of UAVs flying qualities was raised. Illustrated by the case of longitudinal flying qualities criteria, applicability of the piloted aircraft flying qualities criteria to UAVs flying qualities evaluation was discussed. Research results indicate that a part of the piloted aircraft flying qualities criteria can be applied to evaluate UAVs flying qualities, but with modifications to margins of the criteria. This research work has a certain reference value for the evaluation of UAVs flying qualities.

Key words:flying qualities; UAVs; evaluation criteria; Cooper-Harper rating scale

中圖分類號：V212.1; V279

文獻標識碼：A

文章編號：1002-0853(2016)01-0006-04

作者簡介:潘文俊(1985-)，男，陜西榆林人，工程師，博士，研究方向為飛行控制律設(shè)計與品質(zhì)評定。

收稿日期:2015-06-05;

修訂日期:2015-09-30; 網(wǎng)絡(luò)出版時間:2015-10-09 14:41