廣西機(jī)場(chǎng)管理集團(tuán)有限責(zé)任公司 羅 浩

一、前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，科技也得以相應(yīng)的進(jìn)步，再加上我國(guó)在軍事方面的思想轉(zhuǎn)變，無(wú)人機(jī)逐漸在我國(guó)的軍隊(duì)上得以廣泛應(yīng)用，同時(shí)，我國(guó)許多企業(yè)，例如地質(zhì)勘測(cè)等也都使用無(wú)人機(jī)，因此其在民用上也得以無(wú)廣泛的應(yīng)用?？傊?，無(wú)人機(jī)在進(jìn)行飛行的時(shí)候，不論是用于攻擊、偵查，還是測(cè)繪、航拍，都需要平穩(wěn)的飛行姿態(tài)。因此需要對(duì)無(wú)人機(jī)飛行的姿態(tài)進(jìn)行檢測(cè)研究，確保無(wú)人機(jī)能夠進(jìn)行平穩(wěn)的飛行。

二、自動(dòng)駕駛儀的原理

所謂的自動(dòng)駕駛儀，就是一種比較常用的反饋控制系統(tǒng)，這一系統(tǒng)主要是對(duì)無(wú)人機(jī)上的駕駛員進(jìn)行代替，對(duì)飛機(jī)的飛行進(jìn)行控制。圖1主要是自動(dòng)駕駛儀與無(wú)人機(jī)進(jìn)行結(jié)合，組成的一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。

圖1 自動(dòng)駕駛儀組成的閉環(huán)系統(tǒng)

由圖1可知，如果飛機(jī)在進(jìn)行飛行的時(shí)候，發(fā)生偏離，系統(tǒng)中的敏感元件就會(huì)對(duì)飛機(jī)飛行時(shí)所偏離的實(shí)際方向得以感受，以此對(duì)相應(yīng)的信號(hào)進(jìn)行傳輸，同時(shí)通過(guò)對(duì)放大計(jì)算裝置的運(yùn)用，對(duì)無(wú)人機(jī)出現(xiàn)偏離的狀況進(jìn)行處理，然后對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的使用，使控制面對(duì)發(fā)生的偏轉(zhuǎn)進(jìn)行修正。因此這一閉環(huán)系統(tǒng)在進(jìn)行連接的時(shí)候，主要是對(duì)負(fù)反饋原則進(jìn)行運(yùn)用，因此此系統(tǒng)在對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行控制的時(shí)候，就會(huì)使無(wú)人機(jī)在飛行的時(shí)候變回原先的狀態(tài)[1]。如果飛機(jī)在進(jìn)行飛行的時(shí)候變回到原先的狀態(tài)，敏感元件所傳出的信息就會(huì)變?yōu)榱?，同時(shí)系統(tǒng)中其他相關(guān)的控制面也都會(huì)變回原先的狀態(tài)，這樣無(wú)人機(jī)在飛行的時(shí)候，就會(huì)根據(jù)所預(yù)定的狀態(tài)進(jìn)行飛行。

三、無(wú)人機(jī)控制原理

（一）無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)是整個(gè)無(wú)人機(jī)的控制中心，無(wú)人機(jī)能夠進(jìn)行自主導(dǎo)航以及自主飛行控制都依賴于這個(gè)指揮控制中心。其最主要的組成部分就是計(jì)算機(jī)，同時(shí)由相關(guān)的感應(yīng)系統(tǒng)以及操作系統(tǒng)共同組成的，一個(gè)封閉環(huán)形的控制系統(tǒng)。

在對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行飛行時(shí)，其控制系統(tǒng)的原理就是，無(wú)人機(jī)在空中進(jìn)行巡航的時(shí)候，就會(huì)傳回相關(guān)的巡視數(shù)據(jù)，這一系統(tǒng)就是對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)，檢測(cè)的相應(yīng)數(shù)據(jù)，就會(huì)及時(shí)的在飛機(jī)的控制系統(tǒng)中進(jìn)行匯集[2]。例如，無(wú)線電的高度表將相關(guān)高度的信息進(jìn)行回傳時(shí)，同時(shí)也會(huì)將無(wú)人機(jī)的相關(guān)飛行狀態(tài)以及信息進(jìn)行回傳，而GPS的應(yīng)用，也會(huì)將相關(guān)的位置信息進(jìn)行回傳等，對(duì)于這些數(shù)據(jù)，都將通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算以及處理，然后通過(guò)一系列相關(guān)的控制方法以及策略，就可以計(jì)算出每個(gè)操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制量，然后將這些控制量分配到各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，從而完成對(duì)無(wú)人機(jī)的控制。

對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行控制，最主要的就是無(wú)人機(jī)在進(jìn)行飛行以及完成任務(wù)的時(shí)候，能夠按照人的意志進(jìn)行完成，從而使飛行系統(tǒng)能夠?qū)︼w機(jī)實(shí)現(xiàn)有效的控制。因此，想要使無(wú)人機(jī)在飛行的時(shí)候，飛行運(yùn)動(dòng)能夠得以簡(jiǎn)化，飛機(jī)的相關(guān)設(shè)計(jì)人員就需要對(duì)飛機(jī)的縱向運(yùn)動(dòng)、橫側(cè)向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究。

（二）無(wú)人機(jī)縱向控制策略

無(wú)人機(jī)在進(jìn)行縱向運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，通常就是指無(wú)人機(jī)在垂直地面上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，其通常是指縱向角運(yùn)動(dòng)和縱向線運(yùn)動(dòng)。

飛機(jī)的縱向角運(yùn)動(dòng)，其主要是對(duì)飛機(jī)飛行的仰角進(jìn)行制定，飛機(jī)按照指定的仰角進(jìn)行飛行，而飛機(jī)的俯仰角，在對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行角運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，通常都是以飛機(jī)的俯仰角進(jìn)行控制，而俯仰角的數(shù)值來(lái)源，通常是通過(guò)慣性測(cè)量單元對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行獲取。同時(shí)，在對(duì)俯仰角進(jìn)行控制的時(shí)候，所能夠運(yùn)用到的方法雖然有很多種，但是隨著遺傳算法的不斷發(fā)展，以及其所具有的優(yōu)越性，當(dāng)前在無(wú)人機(jī)進(jìn)行控制方法中使用的最為廣泛。在控制飛機(jī)進(jìn)行角運(yùn)動(dòng)時(shí)，飛機(jī)飛行時(shí)所產(chǎn)生的俯仰角的具體參數(shù)，通常會(huì)受到周期變化的影響，而且俯仰角在進(jìn)行周期變化的時(shí)候，所需要的時(shí)間比較長(zhǎng)，并且飛機(jī)上的干擾作用及其操作機(jī)構(gòu)等干擾因素，都會(huì)使飛機(jī)在進(jìn)行飛行的時(shí)候受到干擾[3]。因此，本文在對(duì)俯仰角的實(shí)際速度進(jìn)行控制的時(shí)候，會(huì)將其作為俯仰角進(jìn)行控制系統(tǒng)中的內(nèi)回路，其在內(nèi)回路當(dāng)中主要是以俯仰角對(duì)俯仰角速率進(jìn)行控制，而對(duì)外回路進(jìn)行控制，主要是依賴于縱向角運(yùn)動(dòng)中的俯仰角。通過(guò)對(duì)俯仰角進(jìn)行控制的相關(guān)系統(tǒng)，也就是俯仰角控制框圖如圖2所示。

圖2 俯仰角控制系統(tǒng)框圖

根據(jù)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行建模時(shí)，舵機(jī)的功能，主要是對(duì)其相關(guān)環(huán)節(jié)進(jìn)行簡(jiǎn)化，機(jī)帶的寬度通常為10rad/s，其進(jìn)行傳遞的函數(shù)為：

無(wú)人機(jī)在進(jìn)行縱向線運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，主要是對(duì)飛機(jī)飛行的具體高度進(jìn)行控制，同時(shí)，無(wú)人機(jī)的實(shí)際飛行高度在進(jìn)行變化的時(shí)候，主要影響的因素就是飛機(jī)的姿態(tài)，其主要是由于受到縱向通道的實(shí)際俯仰程度不同，而產(chǎn)生不同。

（三）無(wú)人機(jī)橫側(cè)向控制策略

在無(wú)人機(jī)的橫側(cè)向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，主要包含了滾轉(zhuǎn)通道的控制和對(duì)偏航通道的控制。想要使無(wú)人機(jī)的橫側(cè)向運(yùn)動(dòng)能夠符合控制的要求，就需要對(duì)滾轉(zhuǎn)通道和對(duì)偏航通道這兩個(gè)通道進(jìn)行綜合考慮，并進(jìn)行分別研究。

對(duì)于橫側(cè)向運(yùn)動(dòng)控制中，最重要的就是對(duì)無(wú)人機(jī)的滾轉(zhuǎn)角進(jìn)行控制。同時(shí)，其也可以通過(guò)對(duì)縱向俯仰角的利用，進(jìn)行研究：首先，可以將滾轉(zhuǎn)角的角速度在滾轉(zhuǎn)角控制系統(tǒng)中作為內(nèi)回路；然后，將系統(tǒng)的傳感器中所獲取的滾轉(zhuǎn)角作為被控對(duì)象，通過(guò)獲取的滾轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)與預(yù)定的滾轉(zhuǎn)角的偏差，對(duì)舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，然后根據(jù)系統(tǒng)的信息反饋，使得無(wú)人機(jī)的滾轉(zhuǎn)角能夠不斷的趨向于預(yù)定的滾轉(zhuǎn)角，以此來(lái)完成對(duì)于滾轉(zhuǎn)角的控制。圖3主要是無(wú)人機(jī)的滾轉(zhuǎn)角控制的過(guò)程展現(xiàn)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖3 滾轉(zhuǎn)角控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

四、無(wú)人機(jī)自動(dòng)起飛

（一）無(wú)人機(jī)自動(dòng)起飛過(guò)程

無(wú)人機(jī)自動(dòng)起飛的實(shí)際操作過(guò)程如圖4所示，主要分為以下幾階段：

圖4 無(wú)人機(jī)自動(dòng)起飛的過(guò)程

（1）三輪滑跑階段

三輪滑跑階段，主要是指無(wú)人機(jī)在進(jìn)行飛行的時(shí)候，其發(fā)動(dòng)機(jī)所處于的工作狀態(tài)是定額狀態(tài)，這時(shí)無(wú)人機(jī)在進(jìn)行滑跑的時(shí)候，就會(huì)逐漸加速。在無(wú)人機(jī)滑跑速度不斷的增加的時(shí)候，無(wú)人機(jī)的相關(guān)氣動(dòng)力以及力矩也同樣會(huì)增加。當(dāng)無(wú)人機(jī)進(jìn)行滑跑的速度和無(wú)人機(jī)前輪抬起的速度一致的時(shí)候，無(wú)人機(jī)的俯仰力矩就會(huì)形成額定值，接著無(wú)人機(jī)的前輪就會(huì)抬起，并進(jìn)入到兩輪滑跑。

（2）兩輪滑跑階段

當(dāng)無(wú)人機(jī)處于兩輪滑跑的階段，這時(shí)的無(wú)人機(jī)，其油門(mén)就會(huì)處于定值狀態(tài)，然后無(wú)人機(jī)開(kāi)始進(jìn)行加速，當(dāng)無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)升力比當(dāng)時(shí)的重力大的時(shí)候，無(wú)人機(jī)的實(shí)際速度就會(huì)上升，并能夠進(jìn)行離地飛行，并進(jìn)入向上爬升的階段。

（3）爬升階段

當(dāng)無(wú)人機(jī)處于爬升的時(shí)候，就會(huì)持續(xù)加速飛行，為了使無(wú)人機(jī)的安全飛行得到保障，就需要將無(wú)人機(jī)飛行的速度不斷進(jìn)行提高。隨著無(wú)人機(jī)飛行的高度不斷的增加，就會(huì)失去地面效應(yīng)，這時(shí)無(wú)人機(jī)就會(huì)進(jìn)入到空中。當(dāng)無(wú)人機(jī)飛行到一定高度，且達(dá)到安全高度的時(shí)候，無(wú)人機(jī)的起飛過(guò)程完成。

（二）無(wú)人機(jī)自動(dòng)起飛控制策略

無(wú)人機(jī)在進(jìn)行自動(dòng)起飛時(shí)，對(duì)其縱向進(jìn)行控制的時(shí)候，主要依賴于升降舵和油門(mén)。而無(wú)人機(jī)在起飛的時(shí)候，無(wú)人機(jī)本身在速度上具有較大的變化，因此，對(duì)其實(shí)際速度在進(jìn)行變化的時(shí)候，是不需要進(jìn)行精確控制的，所以無(wú)人機(jī)的油門(mén)一般是不用進(jìn)行調(diào)節(jié)的。

升降舵主要是對(duì)俯仰角進(jìn)行控制，以此使無(wú)人機(jī)在進(jìn)行飛行時(shí)的姿態(tài)能夠得以合理控制，并按照設(shè)定的程序無(wú)人機(jī)飛到預(yù)定的高度。無(wú)人機(jī)在飛離地面之后，在地面中所產(chǎn)生的低頭力矩就會(huì)立即消失，與此同時(shí)，其抬頭力矩會(huì)立即增大，當(dāng)無(wú)人機(jī)徹底離開(kāi)地面效應(yīng)區(qū)的時(shí)候，沒(méi)有地面效應(yīng)，無(wú)人機(jī)就可以順利飛行。如果無(wú)人機(jī)在飛行時(shí)，其俯仰角的增速太快的話，就會(huì)使其上升的速度受到影響，對(duì)于無(wú)人機(jī)的平穩(wěn)飛行也產(chǎn)生了不利影響，因此需要對(duì)向上爬升飛行的速度通過(guò)積分進(jìn)行確定，從而保證無(wú)人機(jī)能夠以合適的速度飛行到安全的高度。無(wú)人機(jī)在進(jìn)行自動(dòng)起飛的時(shí)候，通常是由副翼以及方向舵所組成，并對(duì)飛機(jī)橫側(cè)向飛行進(jìn)行控制。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了自動(dòng)駕駛儀原理以及飛行控制原理，主要是根據(jù)相關(guān)條件分為兩部分，縱向運(yùn)動(dòng)以及橫向運(yùn)動(dòng)，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)分析，同時(shí)對(duì)無(wú)人機(jī)在進(jìn)行自主飛行以及降落時(shí)的相關(guān)控制策略進(jìn)行了介紹?？傊S著我國(guó)科技的進(jìn)一步發(fā)展，無(wú)人機(jī)的發(fā)展前景也逐漸廣泛，特別是對(duì)無(wú)人機(jī)所具有的航程、續(xù)航能力、飛行速度等進(jìn)行廣泛的發(fā)展。同時(shí)，在未來(lái)的各類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景上，無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)必將得到更加全面的發(fā)揮。

[1]劉歌群.無(wú)人機(jī)飛行控制器設(shè)計(jì)及檢測(cè)與控制技術(shù)研究[D].西北工業(yè)大學(xué),2004.

[2]鄭偉光.四旋翼無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)控制系統(tǒng)研究[D].長(zhǎng)春理工大學(xué),2010.

[3]楊利紅.固定翼無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)控制律設(shè)計(jì)[D].東北農(nóng)業(yè)大學(xué),2016.