李秋生+于志剛+陽(yáng)朱華

摘 要 小型無(wú)人直升機(jī)在很多行業(yè)中都有應(yīng)用，例如地質(zhì)探查、地理測(cè)繪、農(nóng)業(yè)種植等等，無(wú)人機(jī)的研發(fā)和使用給很多行業(yè)工作的開(kāi)展帶來(lái)了非常多的便利。我國(guó)運(yùn)用小型無(wú)人直升機(jī)的歷史還不是非常久遠(yuǎn)，所以相關(guān)的技術(shù)也不是非常的完善，直升機(jī)在飛行過(guò)程中，容易出現(xiàn)操控困難、墜毀等問(wèn)題。本文研究的蛀牙方向就是關(guān)于小型無(wú)人直升機(jī)的飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以全面提高無(wú)人直升機(jī)的飛行系統(tǒng)，降低其飛行難度，使之變得更加的易于操控。

【關(guān)鍵詞】小型無(wú)人直升機(jī) 飛行系統(tǒng)設(shè)計(jì) 飛行控制特性

小型無(wú)人直升機(jī)的飛行控制系統(tǒng)是直升機(jī)最重要的部位，也是核心部位，如果無(wú)法實(shí)現(xiàn)良好的飛行，直升機(jī)的其它功能也將難以展現(xiàn)。在實(shí)際設(shè)計(jì)的過(guò)程中，很多技術(shù)人員都遇到了飛行控制難題，這使得無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)入了長(zhǎng)時(shí)間的瓶頸期，設(shè)計(jì)速度也隨之降低。

1 小型無(wú)人直升機(jī)飛行控制特性分析

1.1 建模困難

小型無(wú)人直升機(jī)在飛行過(guò)程中，容易受到外界氣流干擾。此外，由于超小型無(wú)人直升機(jī)選擇體積小，重量輕，易變形的材料，因此難以建立精確的動(dòng)力學(xué)模型。此外，對(duì)于微旋翼氣動(dòng)問(wèn)題，建立旋翼數(shù)學(xué)模型時(shí)需要解決低雷諾茲數(shù)問(wèn)題，雷諾茲數(shù)對(duì)微旋翼提升特性的影響很大。要建立較為復(fù)雜的旋翼數(shù)學(xué)模型，要求旋翼控制系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的魯棒性和弱相關(guān)性模型。

1.2 欠驅(qū)動(dòng)

無(wú)人直升機(jī)的六個(gè)空間運(yùn)動(dòng)度使得起飛行控制系統(tǒng)存在嚴(yán)重的缺陷，也就是欠驅(qū)動(dòng)性。旋翼轉(zhuǎn)速的控制輸入量存在不足，因此，小型無(wú)人直升機(jī)是一個(gè)典型的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。飛行控制系統(tǒng)欠驅(qū)動(dòng)主要是因?yàn)槠浞蔷€性特點(diǎn)，所以不能夠全面的反映其線性化特點(diǎn)，所以其飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，且控制存在一定的困難。關(guān)于欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究一般是針對(duì)結(jié)構(gòu)相對(duì)單一的系統(tǒng)，或者是移動(dòng)機(jī)器人，適合用在欠驅(qū)動(dòng)旋翼的控制系統(tǒng)還比較欠缺。

1.3 強(qiáng)耦合

小型無(wú)人直升機(jī)需要使用多個(gè)輸入控制輸出六個(gè)自由度，因此它具有高度的耦合特性，控制輸入的任意一個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速變化都會(huì)影響到至少三個(gè)自由度。例如，增加旋翼左旋轉(zhuǎn)速度，其他三個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速恒定，會(huì)使飛機(jī)由于旋翼拉力差出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)；同時(shí)，也可能出現(xiàn)向右平移的情況；此外，根據(jù)旋翼和旋翼不平衡產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)扭矩反應(yīng)，也可導(dǎo)致飛機(jī)橫擺到左邊。此外，直升機(jī)的左右旋翼之間也會(huì)由于這樣的力量差導(dǎo)致飛機(jī)偏離制定航向，直升機(jī)飛行姿態(tài)和飛行位置之間同樣存在強(qiáng)耦合。由于直升機(jī)旋翼具有良好的耦合特性，旋翼在全飛行包線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮各種可能的飛行狀態(tài)，以保證控制系統(tǒng)具有良好的解耦性和魯棒性。

1.4 受外界影響大

小型無(wú)人直升機(jī)在空中，外部環(huán)境，例如會(huì)通過(guò)空氣、風(fēng)的影響，會(huì)對(duì)飛機(jī)的飛行產(chǎn)生不利影響，尤其是超小型小型無(wú)人直升機(jī)體積小，重量輕，速度低，更容易受到外部擾動(dòng)的影響。通過(guò)設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的魯棒性控制系統(tǒng)、自適應(yīng)能力強(qiáng)的飛行控制并不能完全解除外界干擾，只有通過(guò)分析時(shí)變氣動(dòng)特性和非線性飛行力學(xué)特性，以此為基礎(chǔ)，展開(kāi)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，才能盡可能的使無(wú)人機(jī)在抵御外界干擾的情況下，保持平穩(wěn)飛行。此外，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的小型無(wú)人直升機(jī)旋翼采用柔性材料，質(zhì)量輕，陣風(fēng)擾動(dòng)對(duì)升力和阻力特性存在較大影響，旋翼變形后直升機(jī)的飛行控制室一個(gè)較為實(shí)際的設(shè)計(jì)問(wèn)題。

2 小型無(wú)人直升機(jī)的飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)學(xué)建模

要達(dá)到對(duì)直升飛機(jī)飛行的有效控制，首先應(yīng)該了解各種環(huán)境和狀態(tài)下的直升機(jī)動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，了解起旋翼的特性，以此為依據(jù)建立數(shù)學(xué)模型。我們根據(jù)上文所描述的關(guān)于直升機(jī)旋翼的各種動(dòng)力學(xué)特性，建立一個(gè)關(guān)于直升機(jī)旋翼控制的數(shù)學(xué)模型，分析其中存在的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。常用的數(shù)學(xué)建模分析方法主要有理論推導(dǎo)法和實(shí)驗(yàn)辨識(shí)法。其中理論推導(dǎo)法主要用于分析飛機(jī)各部件的物理結(jié)構(gòu)應(yīng)急特征，通過(guò)科學(xué)的計(jì)算，得出一個(gè)線性或者是非線性數(shù)學(xué)模型；而后者則主要是通過(guò)實(shí)際的是要，采用系統(tǒng)辨識(shí)得出相關(guān)的數(shù)據(jù)。我國(guó)目前較為常用建模方法主要是理論推導(dǎo)，其特點(diǎn)是簡(jiǎn)化約束條件，實(shí)現(xiàn)快速建模。

2.2 飛行控制方法

小型無(wú)人直升機(jī)各種特點(diǎn)使得它的飛行控制系統(tǒng)存在很多的問(wèn)題，比如飛行控制系統(tǒng)無(wú)法適應(yīng)其強(qiáng)耦合性，飛行控制易受天氣等外界因素干擾等等，這對(duì)控制系統(tǒng)的敏感性、靈活性和操控性造成了很大的影響。但即便是如此，小型無(wú)人直升機(jī)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)也吸引了很多的人才對(duì)其飛行控制系統(tǒng)展開(kāi)研究設(shè)計(jì)，例如表1當(dāng)中所列舉的幾種飛行控制方法及其特點(diǎn)。其中，PID單通道飛行控制系統(tǒng)的研究相對(duì)成熟，其特點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)，目前在小型無(wú)人直升機(jī)飛行控制中的應(yīng)用也較為廣泛，其缺陷是操控較為繁瑣，而且設(shè)備體型較大，攜帶非常不便，其解耦性以及魯棒性等固有的特點(diǎn)也使得該系統(tǒng)限制了飛機(jī)螺旋槳的性能。現(xiàn)代技術(shù)和領(lǐng)域理論的發(fā)展，催生了很多的智能化技術(shù)，很多新興的技術(shù)被用到了PID控制系統(tǒng)當(dāng)中，例如模糊技術(shù)，這使得傳統(tǒng)的PID單通道控制變得更加的先進(jìn)且具有優(yōu)勢(shì)。該類型系統(tǒng)主要是建立在穩(wěn)定性理論的基礎(chǔ)之上，能夠使飛行控制系統(tǒng)更具穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)飛機(jī)飛行的整體性控制，比較適用于對(duì)反饋控制具有嚴(yán)格要求的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)束語(yǔ)

小型無(wú)人直升機(jī)的飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)應(yīng)當(dāng)充分結(jié)合飛行控制系統(tǒng)的特性進(jìn)行，通過(guò)對(duì)常見(jiàn)的控制難題展開(kāi)針對(duì)性的設(shè)計(jì)，就可以有效的解決老舊飛行控制系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，提高直升機(jī)的飛行控制效果。

參考文獻(xiàn)

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作者單位

黑龍江大學(xué)電子工程學(xué)院 黑龍江省哈爾濱市150000