張劍鋒 (西安愛生技術(shù)集團(tuán)公司)

無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是多學(xué)科綜合優(yōu)化的設(shè)計(jì)過程，是無人機(jī)系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)的理論基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)依據(jù)。高品質(zhì)的飛行控制系統(tǒng)是現(xiàn)代高性能無人機(jī)實(shí)現(xiàn)安全飛行和完成復(fù)雜飛行任務(wù)的重要保證，是無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)中不可缺少的重要環(huán)節(jié)。

近年來隨著航空技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)承擔(dān)的任務(wù)使命逐步增加，飛行控制系統(tǒng)開始向著航空綜合化系統(tǒng)的方向發(fā)展，它把飛行控制、火力控制、目標(biāo)探測、導(dǎo)航系統(tǒng)等綜合，使得這些系統(tǒng)能夠更好的協(xié)同工作以完成飛行任務(wù)。同時(shí)，飛控系統(tǒng)的規(guī)模也越來越大，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、行為以及數(shù)據(jù)交聯(lián)關(guān)系也越來越復(fù)雜，已經(jīng)發(fā)展成為一種涉及機(jī)械、電子、液壓和軟件等多個(gè)學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)。

系統(tǒng)組成及工作原理

飛行控制系統(tǒng)包括飛控計(jì)算機(jī)和實(shí)現(xiàn)飛行控制律的功能軟件，它是無人機(jī)自動駕駛儀的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著飛行控制、飛行管理、定位與導(dǎo)航、起降控制、數(shù)據(jù)鏈設(shè)備控制與管理、任務(wù)設(shè)備控制與管理、機(jī)載設(shè)備故障診斷與處理等多項(xiàng)重要任務(wù)。

自動飛行控制的基本原理是應(yīng)用自動控制理論中的“反饋控制”理論，而為了滿足飛行安全性和完成飛行任務(wù)的目標(biāo)要求，飛行控制系統(tǒng)完成的基本任務(wù)主要有改善飛行品質(zhì)、協(xié)助航跡控制、全自動航跡控制、監(jiān)控和任務(wù)規(guī)劃等。

一般來說，無人機(jī)的控制系統(tǒng)性能品質(zhì)和穩(wěn)定性可以參照有人駕駛飛機(jī)的飛行控制系統(tǒng)國家軍用標(biāo)準(zhǔn)的通用規(guī)范，如GJB185-86。對不同的飛機(jī)，其控制系統(tǒng)的要求也不同，但是實(shí)現(xiàn)姿態(tài)穩(wěn)定則是各種飛機(jī)自動飛行控制的最基本要求，目前技術(shù)條件下無人機(jī)主要控制方式有遙控控制、程序控制、人工干預(yù)控制等。隨著人工智能技術(shù)的進(jìn)步，無人機(jī)未來也可能采用自主控制等，可以根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)行飛行航跡的智能化規(guī)劃和決策。

（左）坐標(biāo)系與姿態(tài)角。

無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

總結(jié)飛行控制設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展歷程可以發(fā)現(xiàn)、到目前為止經(jīng)歷了以文檔為中心和以模型/文檔混合為中心的兩個(gè)階段。

（右）數(shù)字仿真驗(yàn)證流程。

以文檔為中心的設(shè)計(jì)方法

以文檔為中心設(shè)計(jì)方法是過去相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的主要方法，它一方面是指設(shè)計(jì)過程中各階段的設(shè)計(jì)成果以文檔形成呈現(xiàn)并在各階段之間傳遞，另一方面也表示該方法中各階段得信息加工處理以手工方式為主，缺乏必要的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和驗(yàn)證手段。在傳統(tǒng)的飛行控制系統(tǒng)研制中，設(shè)計(jì)過程和測試過程相對獨(dú)立，設(shè)計(jì)人員只能等到原理樣機(jī)實(shí)現(xiàn)后才能對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行測試和驗(yàn)證，并根據(jù)測試結(jié)果返回設(shè)計(jì)階段進(jìn)行更改。該方法存在的缺點(diǎn)和不足主要有系統(tǒng)方案表達(dá)方式落后、設(shè)計(jì)建模語言種類繁多，不便于設(shè)計(jì)人員之間溝通、信息孤島現(xiàn)象嚴(yán)重、缺乏有效的仿真驗(yàn)證手段和快速反應(yīng)能力等。

以上缺點(diǎn)和不足使得采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的飛行控制系統(tǒng)研制是一種基于原理樣機(jī)的研制，即設(shè)計(jì)人員只能通過不斷設(shè)計(jì)、制造原理樣機(jī)并基于原理樣機(jī)進(jìn)行各類測試和仿真試驗(yàn)來完成飛行控制系統(tǒng)研制，由此導(dǎo)致研制周期長、研制費(fèi)用大。

飛控系統(tǒng)的硬件設(shè)備集成度越來越高。

以文檔/模型混合為中心的設(shè)計(jì)方法

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和建模仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，各類CAX技術(shù)開始出現(xiàn)并由此產(chǎn)生一些新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念和方法。如機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的虛擬樣機(jī)（VP）技術(shù)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的Matlab/Simulink技術(shù)等。基于文檔/模型的設(shè)計(jì)方法，可以對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行充分的分析、測試和評估，消除其中可能存在的歧義和錯(cuò)誤，避免等到原理樣機(jī)實(shí)現(xiàn)后才方法這些錯(cuò)誤再進(jìn)行修改而造成的損失。飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段和實(shí)現(xiàn)階段之間傳遞的不再是非形式化的文檔，而是面向?qū)崿F(xiàn)的形式化模型，飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了從以文檔向文檔/模型為中心的轉(zhuǎn)變。

無人機(jī)飛行控制專業(yè)發(fā)展

機(jī)載計(jì)算機(jī)技術(shù)

隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外無人機(jī)機(jī)載計(jì)算機(jī)從功能上經(jīng)歷著分散、綜合的交替，最終向著綜合化發(fā)展；體系結(jié)構(gòu)也根據(jù)不同的需求從單余度到五余度不等；處理器也從單片機(jī)、DSP、ARM、SOC到X86、POWER PC；總線有1553B、429、485、422、232、CAN等；操作系統(tǒng)有Unix、μC/OS-Ⅱ、DOS、Vx works、Linux等。

伺服與結(jié)構(gòu)技術(shù)

國內(nèi)外中小型無人機(jī)絕大多數(shù)都使用電動伺服系統(tǒng)。國內(nèi)目前成熟的無人機(jī)伺服舵機(jī)大都采用有刷直流電機(jī)做驅(qū)動源，采用直齒減速器或諧波齒輪減速器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用電位計(jì)做為舵面位置反饋傳感器，采用測速發(fā)電機(jī)作為速度反饋傳感器，伺服放大器多為模擬控制驅(qū)動方式，舵機(jī)的實(shí)際壽命一般不足2000小時(shí)。隨著新技術(shù)和新產(chǎn)品的不斷發(fā)展，先進(jìn)電動伺服系統(tǒng)在性能上向高精度、高效率、高可靠性和高適應(yīng)性發(fā)展；在功能上向小型化、輕型化、多功能方向發(fā)展。

電氣與保障技術(shù)

國外采用電氣多路傳輸技術(shù)的自動配電系統(tǒng)已經(jīng)成熟，并在多種飛機(jī)上得到使用。國內(nèi)中小型無人機(jī)采用混合式供電和集中供電兩種方式，自動配電系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)是中小型無人機(jī)供電系統(tǒng)的發(fā)展方向。

測量與測試技術(shù)

測量專業(yè)中，國外元件級敏感器件起步早，智能化、微型化、多傳感器綜合技術(shù)成為傳感器發(fā)展的趨勢。國內(nèi)元件級敏感器件發(fā)展比較晚，基礎(chǔ)相對比較薄弱。高精度、高可靠性、微型化成為國內(nèi)敏感器件的主要研究方向，而集成度高、智能化的傳感器網(wǎng)絡(luò)也成為近些年傳感器發(fā)展的新熱點(diǎn)。

測試專業(yè)發(fā)展初期以自動化、系統(tǒng)化測試為主。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和嵌入式技術(shù)的發(fā)展，測試領(lǐng)域逐漸向便攜式、智能化的方向發(fā)展，同時(shí)依托專家系統(tǒng)、故障診斷等技術(shù)，發(fā)展成各式各樣的ATS（智能測試系統(tǒng)）。

實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

無人機(jī)飛行控制律設(shè)計(jì)過程

開發(fā)的輸入與輸出

開發(fā)輸入包括無人機(jī)系統(tǒng)涉及的平臺級和系統(tǒng)級對控制律的需求、飛行器的氣動數(shù)據(jù)（含鉸鏈力矩?cái)?shù)據(jù)）、重量特性和慣性特性數(shù)據(jù)、發(fā)動機(jī)仿真模型、傳感器以及伺服舵系統(tǒng)模型等。開發(fā)輸出包括以Matlab/Simulink形式表述的飛行控制律仿真模型，以及以文檔形式描述的控制律詳細(xì)需求和設(shè)計(jì)結(jié)果。

控制律設(shè)計(jì)方法

控制律的設(shè)計(jì)方法主要有以下幾種：經(jīng)典控制方法，包括根軌跡，頻域Bode圖等；現(xiàn)代控制方法，包括極點(diǎn)配置，LQR等；魯棒控制方法，包括H2控制，Hinf，mu控制等；智能控制方法，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，遺傳算法等。在進(jìn)行控制律設(shè)計(jì)之前，首先要進(jìn)行參考坐標(biāo)系的選擇，這也是控制律設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

控制律開發(fā)實(shí)施過程

開發(fā)實(shí)施過程首先是對控制律開發(fā)的工作分解，即把控制律分解到功能模塊，每個(gè)功能模塊有飛控設(shè)計(jì)人員獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)需求描述、建模、仿真驗(yàn)證等。最后全部設(shè)計(jì)完成的飛行控制律需要在6DOF非線性模型上進(jìn)仿真驗(yàn)證，確認(rèn)設(shè)計(jì)結(jié)果對系統(tǒng)需求表達(dá)的正確性、完整性和符合性。飛行控制律開發(fā)與實(shí)現(xiàn)過程中，要考慮以下幾個(gè)問題：氣動數(shù)據(jù)處理與性能計(jì)算、系統(tǒng)建模語言與控制律設(shè)計(jì)方法、控制律中非線性環(huán)節(jié)的離散化、控制律切換時(shí)刻控制信號的處理、飛行控制律的評估與確認(rèn)，以及飛行控制軟件架構(gòu)等。

數(shù)字仿真

仿真驗(yàn)證是設(shè)計(jì)中必不可少的重要環(huán)節(jié)，用于驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性和有效性，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題，實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)迭代。頂層設(shè)計(jì)建模和全數(shù)字仿真是一個(gè)快速循環(huán)反復(fù)迭代的過程，通過數(shù)字仿真的手段，可以有效的保證頂層設(shè)計(jì)的有效性。

系統(tǒng)驗(yàn)證

地面仿真驗(yàn)證是無人機(jī)在飛行試驗(yàn)前的重要環(huán)節(jié)，充分的地面仿真對型號降低成本、縮短周期、降低飛行風(fēng)險(xiǎn)的價(jià)值不可估量?；诟呔蕊w機(jī)模型的仿真系統(tǒng)能夠讓無人機(jī)在實(shí)驗(yàn)室中“飛”起來。具體來說地面仿真驗(yàn)證可以達(dá)到如下效果：驗(yàn)證航電設(shè)備之間的接口正確性、功能正確性；驗(yàn)證飛行控制律設(shè)計(jì)的正確性；驗(yàn)證機(jī)載軟件實(shí)現(xiàn)的正確性與可靠性；考核飛行控制系統(tǒng)的魯棒性；接近真實(shí)的飛行操縱模擬與操縱人員的培訓(xùn)。

一般來說，仿真驗(yàn)證環(huán)境包括如實(shí)時(shí)仿真機(jī)、故障模擬系統(tǒng)、視景顯示系統(tǒng)、模擬器（位置模擬、姿態(tài)模擬、高度/速度模擬等）等設(shè)備。西安愛生技術(shù)集團(tuán)公司已開發(fā)了便攜式、機(jī)柜式等系列化的地面仿真驗(yàn)證系統(tǒng)，并已經(jīng)廣泛應(yīng)用在多個(gè)無人機(jī)型號研制過程中。 ■