李科偉，趙 娜，鄧宏彬，江 明

（1. 北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2. 淮海工業(yè)集團(tuán)有限公司淮海研究院，長(zhǎng)治 046012）

1 引 言

微小型飛行器（Micro/Mini Air Vechile，MAV）的概念產(chǎn)生于20世紀(jì)90年代［1］。人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)設(shè)計(jì)尺寸不斷變小時(shí)，小型飛行器的設(shè)計(jì)方法與氣動(dòng)特性都迥異于常規(guī)尺寸的無人飛行器。如同諸多高新技術(shù)的發(fā)展起先都是出于一個(gè)國(guó)家軍事戰(zhàn)略的需求，微小型飛行器亦不例外。美國(guó)國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）最初考慮發(fā)展此項(xiàng)技術(shù)正是源于軍事目的，以期美國(guó)能在未來軍事行動(dòng)中具備領(lǐng)先的技術(shù)，而之后包括海灣戰(zhàn)爭(zhēng)及科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)在內(nèi)的軍事行動(dòng)再次展現(xiàn)了無人飛行器在現(xiàn)代軍事戰(zhàn)爭(zhēng)中的威力，這使得DARPA更加重視包括微小型飛行器在內(nèi)的軍事科技研究。

按照DARPA提出的概念，微小型飛行器應(yīng)具備以下基本特征：具有自主飛行的能力、特定距離下的通訊能力以及能夠帶載完成特定任務(wù)。相比于常規(guī)尺寸的無人飛行器，微小型飛行器以其體積小、質(zhì)量輕、隱蔽性好（低噪聲、低雷達(dá)散射截面積）、功能性強(qiáng)、成本低、操作便捷等顯著優(yōu)勢(shì)贏得了軍民領(lǐng)域中廣大研究人員的重視。

共軸直升機(jī)是一類上下雙槳排列的旋翼型飛行器，與固定翼、撲翼飛行器不同，具有垂直起降、定點(diǎn)懸停及狹隘空間避障飛行等特點(diǎn)［2］。這種飛行能力使其無需起降跑道，能夠適應(yīng)如極地、高原、山區(qū)、城市建筑群、遠(yuǎn)洋孤島及封閉腔體等復(fù)雜地形環(huán)境的搜救、救援及監(jiān)視等多種民用及軍用任務(wù)［3］。其自身結(jié)構(gòu)緊湊，縱向尺寸小，整個(gè)飛機(jī)的重量可以相對(duì)集中在飛機(jī)重心附近，從而減小了飛行狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的慣性矩，具有較高的可控性與機(jī)動(dòng)性［4］。同時(shí)由于其雙槳反轉(zhuǎn)可以平衡相互產(chǎn)生的扭矩使其不再需要尾槳，降低了飛行器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，同時(shí)也避免了源于尾槳的故障隱患，能將所有功率都用于飛行器的主旋翼系統(tǒng)，從而提高了飛行效率。上下轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的氣流相互干擾產(chǎn)生的增強(qiáng)作用使其懸停效率高于單旋翼的直升機(jī)。它易于實(shí)現(xiàn)微型飛機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，更適合于軍事和民用領(lǐng)域。

此外，隨著人們對(duì)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)長(zhǎng)時(shí)間作戰(zhàn)疲勞以及對(duì)戰(zhàn)士傷亡的恐懼，加之有人駕駛飛機(jī)技術(shù)成熟及微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、MEMS導(dǎo)航技術(shù)及控制技術(shù)的逐漸成熟及低成本發(fā)展，微小型共軸直升機(jī)漸漸成為飛行器發(fā)展的熱點(diǎn)方向。飛行器的飛行控制與微小型化是飛行器研究的兩個(gè)主要領(lǐng)域，因此，本文將就共軸直升機(jī)的操縱機(jī)構(gòu)與微小型化發(fā)展兩個(gè)方面展開討論。

2 操縱機(jī)構(gòu)的發(fā)展及現(xiàn)狀

說起雙旋翼，當(dāng)從我國(guó)的古玩具“竹蜻蜓”開始。竹蜻蜓是我們祖先非常有意思的一個(gè)發(fā)明，它又稱為“飛螺旋”。竹蜻蜓主要包含旋翼和中軸桿兩個(gè)部分，搓動(dòng)中軸桿時(shí)，旋翼可以沿著中軸桿的方向旋轉(zhuǎn)，繼而產(chǎn)生升力實(shí)現(xiàn)飛行?！逗?jiǎn)明大英百科全書》第九卷記載：“直升機(jī)是人類最早的飛行理念之一，多年來人們一直相信最早提出這個(gè)理念的就是達(dá)·芬奇，但現(xiàn)在眾所周知，中國(guó)制造的直升機(jī)玩具比歐洲中世紀(jì)制造的要早?！币虼?，可以說人類的航天夢(mèng)是被中國(guó)人發(fā)明的“竹蜻蜓”（Bamboo-Copter）玩具所點(diǎn)燃［5］。

在接下來的一千五百多年里，共軸直升機(jī)推陳出新。1754年，俄羅斯科學(xué)家羅蒙諾索夫（Lomonosov M V）設(shè)計(jì)了首款依靠機(jī)械動(dòng)力飛行的共軸飛行器［6］（圖1），將微型共軸反轉(zhuǎn)雙槳與機(jī)械表相結(jié)合，通過機(jī)械表發(fā)條及齒輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)槳旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)飛行，邁出了人類飛天夢(mèng)的一大步。1861年，法國(guó)科學(xué)家阿梅庫(kù)爾（Ponton d'Amecourt）發(fā)明的直升機(jī)（圖2），采用了微型蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)，提供了連續(xù)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)飛行。同年，亨利布萊特（Henry Bright）向英國(guó)專利局提出了第一個(gè)直升機(jī)專利申請(qǐng)，該直升機(jī)專利采用共軸雙槳直升機(jī)結(jié)構(gòu)（圖3），傳動(dòng)裝置采用三個(gè)錐齒輪連續(xù)傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)。亨利布萊特直升機(jī)中對(duì)齒輪連續(xù)傳動(dòng)的引入為槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)奠定了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，成為現(xiàn)代直升機(jī)發(fā)展的先驅(qū)。隨著動(dòng)力問題的解決，中國(guó)、蘇聯(lián)及美國(guó)相繼在共軸雙槳直升機(jī)方面取得了突破性的進(jìn)展，1945年，從麻省理工大學(xué)留學(xué)歸來的朱佳仁制造了中國(guó)第一款真正意義上的直升機(jī)——蜂鳥甲型共軸直升機(jī)［7］（圖4）。至此形成了現(xiàn)代直升機(jī)操縱機(jī)構(gòu)的雛形。操縱機(jī)構(gòu)是飛行器控制的重要組成，飛行器的控制量通過操縱機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為旋翼俯仰角的變化，產(chǎn)生偏航與俯仰方向的偏轉(zhuǎn)力，使直升機(jī)具有良好的機(jī)動(dòng)性。

到目前為止發(fā)展了兩種旋翼控制方法。一種是直接式控制，即槳轂軸作為操縱軸，當(dāng)改變操縱軸的方向和角度時(shí)，旋翼槳平面會(huì)跟著操縱軸的方向和角度同步傾斜。另一種是自動(dòng)傾斜器，它將槳轂固定在結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)軸上，但自動(dòng)傾斜器可以使葉片的俯仰角周期性變化，從而使氣動(dòng)矢量在一定范圍內(nèi)發(fā)生變化，也稱為間接控制。直接式控制由于需要的驅(qū)動(dòng)力大，適用于特別小的飛行器，所以常見的大部分飛行器通常采用自動(dòng)傾斜器的變距裝置。

1997—2001年，Ranjbaran F等［7］對(duì)CL-327共軸直升機(jī)操縱機(jī)構(gòu)的自動(dòng)傾斜器機(jī)構(gòu)進(jìn)行了描述及運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析。CL-327的傾斜盤（圖4）位于上下電機(jī)之間，通過球鉸與飛行器主軸相連，這使得傾斜盤既能沿平行于主軸方向滑動(dòng)，也能在自身傾斜盤的平面上轉(zhuǎn)動(dòng)，借助設(shè)在旋轉(zhuǎn)盤下方的三個(gè)線性驅(qū)動(dòng)器來控制傾斜盤的三個(gè)自由度。傾斜盤與上下旋翼通過兩個(gè)拉桿連接，旋翼就會(huì)根據(jù)傾斜盤的狀態(tài)來進(jìn)行調(diào)整。

呂俊剛等［8］論述了一種基于慣性力作用和彈性材料的操縱機(jī)構(gòu)（圖5），利用電機(jī)突然加速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生慣性力，使采用彈性材料的連桿變形，隨之改變旋翼的漿距角，采用電傳感器和位置控制碼板檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制和改變機(jī)體的飛行狀態(tài)。

圖1 羅蒙諾索夫直升機(jī)Fig.1 Lomonosov helicopter

圖2 阿梅庫(kù)爾直升機(jī)Fig.2 Amecourt helicopter

圖3 亨利布萊特直升機(jī)Fig.3 Henry Bright helicopter

圖 4 CL-327共軸直升機(jī) 的操縱機(jī)構(gòu)Fig.4 Control mechanism of CL-327 coaxial helicopter

圖5 基于慣性力作用和彈性材料的 操縱機(jī)構(gòu)Fig.5 Manipulator based on inerti al force and elastic material

馮亞昌等［9］設(shè)計(jì)了一種半差動(dòng)式控制機(jī)構(gòu)，并介紹了控制原理，分析了同軸直升機(jī)控制機(jī)構(gòu)的縱向通道動(dòng)態(tài)特性。該飛行器采用了一種半差動(dòng)航向操縱機(jī)構(gòu)。通過總距套筒連接上下傾斜器的內(nèi)軸來改變槳葉總距；通過航向操縱滑環(huán)連接上下槳盤的自動(dòng)傾斜器外盤，來改變飛行器的航向控制。系統(tǒng)輸入受四個(gè)舵機(jī)控制，其原理圖如圖6所示。

李杏健等［10］發(fā)表了名為“一種共軸式雙旋翼直升機(jī)”的專利（圖7），上旋翼與下旋翼之間的槳距分別通過位于上、下旋翼之間的上旋翼自動(dòng)傾斜器與位于下旋翼下部的下旋翼自動(dòng)傾斜器控制，槳葉與自動(dòng)傾斜器通過拉桿直接相連。

袁夏明等［11］設(shè)計(jì)了一種全差動(dòng)航向操縱系統(tǒng)（圖8），四個(gè)電機(jī)圍繞轉(zhuǎn)軸均勻周向陣列在同一平面，其中三個(gè)電機(jī)通過長(zhǎng)拉桿與下傾斜盤連接，實(shí)現(xiàn)槳距角變化；另一個(gè)舵機(jī)通過短拉桿與滑套相連實(shí)現(xiàn)總距變化。四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角通過連桿傳動(dòng)，進(jìn)而改變下旋翼變距角。通過上下傾斜盤的連桿連接，實(shí)現(xiàn)上下傾斜盤的同步變化。

圖6 半差動(dòng)航向操縱機(jī)構(gòu)原理圖F ig.6 Half differential steering mechanism principle diagram

圖7 共軸直升機(jī)操縱機(jī)構(gòu)Fig.7 Coaxial helicopter control mechanism

圖8 全差動(dòng)航向操縱系統(tǒng)原理圖Fig.8 Fully differential steering system principle diagram

隨著共軸直升機(jī)的逐步發(fā)展，飛行器的結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，飛控機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)也從單一的操縱桿到復(fù)雜的多輸入機(jī)構(gòu)演變，同時(shí)結(jié)合相應(yīng)的控制算法，使其操控的精準(zhǔn)性大幅提升，逐步變得智能化。

3 微小型化發(fā)展及現(xiàn)狀

目前大中型的共軸直升機(jī)主要以俄羅斯和美國(guó)產(chǎn)品為代表，大部分用于軍事用途，如俄羅斯的卡-28、卡-50/52，美國(guó)的XH-59、X2等型號(hào)。機(jī)電一體化技術(shù)的快速發(fā)展，使得控制機(jī)構(gòu)、能源和驅(qū)動(dòng)裝置都呈一定程度的小型化，各國(guó)都在競(jìng)相研究微小型共軸直升機(jī)。由于機(jī)體小，操控靈活，其控制穩(wěn)定性是特別需要考慮的問題。近十幾年來，美、日、瑞、法等國(guó)相繼將阿瑟·M·揚(yáng)經(jīng)典的平衡錘穩(wěn)定技術(shù)［12-13］應(yīng)用于微型共軸飛行器姿態(tài)控制中，并取得了良好的效果；而近幾年的新成果采用優(yōu)異的控制算法，不再依賴于平衡錘穩(wěn)定，從而降低了機(jī)體的復(fù)雜度。

2005年，馬里蘭大學(xué)（University of Maryland）阿爾弗雷德·格索機(jī)器人中心，推出了一款Flexible Wing MAV共軸反轉(zhuǎn)雙槳直升機(jī)［14］，如圖9所示。Flexible MAV具有上下兩組分別獨(dú)立的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)及飛行平衡錘，通過四根由形狀記憶合金制成的柔性骨架主動(dòng)控制上下兩組動(dòng)力漿及平衡錘，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制。此外，F(xiàn)lexible MAV通過機(jī)體底部電子部件及動(dòng)力電池自身重量的較低質(zhì)心位置確保飛行器穩(wěn)定。

2006年，千葉大學(xué)（Chiba University）、宇都宮大學(xué)（Utsunomiya University）及愛普生公司 （Epson）聯(lián)合開發(fā)用于地震搜救的FR微小型自主無人直升機(jī)［15］，如圖10所示。其槳葉直徑136mm，高約85mm，含電池質(zhì)量?jī)H為12.3g，飛行時(shí)間為3min。FR通過超薄型超聲波馬達(dá)驅(qū)動(dòng)雙螺旋槳飛行，并且通過電機(jī)控制重心偏移塊的方式，使重心偏移達(dá)到航向控制的目的。

2008年，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（Swiss Federal Institute of Technology）開始研制MuFly微小型飛行器［3］，其目標(biāo)是開發(fā)一款完全自主的，在質(zhì)量和尺寸上與小鳥相當(dāng)?shù)奈⑿⌒蜔o人機(jī)，如圖11所示。MuFly高200mm，螺旋槳直徑150mm，質(zhì)量80.31g，能夠進(jìn)行室內(nèi)自主飛行及自主避障。

2010年，法國(guó)南希自動(dòng)化控制研究中心（Research Center for Automatic Control of Nancy）和圣路易法德研究院（French-German Research Institute of Saint-Louis）聯(lián)合進(jìn)行適用于80mm單兵迫擊炮發(fā)射的GLMAV微小型無人直升機(jī)研究［16］，以用于城市反恐及城市作戰(zhàn)的戰(zhàn)場(chǎng)信息實(shí)時(shí)監(jiān)控，如圖12所示。GLMAV螺旋槳直徑250mm，機(jī)體直徑80mm，總質(zhì)量1.1kg，能夠?qū)崿F(xiàn)室外全自主飛行。

同年，美國(guó)陸軍研究中心氣動(dòng)飛行局（Aero flight dynamics Directorate （AMRDEC） U.S. Army Research）與小型飛行器公司（Lite Machines Corporation）聯(lián)合進(jìn)行Tiger Moth［17］微小型無人機(jī)的控制系統(tǒng)開發(fā)及飛行測(cè)試，如圖13所示。室外飛行試驗(yàn)表明，Tiger Moth微小型無人機(jī)能夠在3級(jí)微風(fēng)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)姿態(tài)穩(wěn)定飛行。

2015年，美國(guó)Ascent Aero Systems公司開發(fā)出一款只有保溫瓶大小的航拍機(jī)Sprite （如圖14所示）。Sprite采用共軸雙槳設(shè)計(jì)，使用時(shí)旋翼打開，不使用時(shí)旋翼可折疊，外觀很像是竹蜻蜓，而且可以輕松放入背包。Sprite是一個(gè)便攜的航拍器，它在操控的靈活性方面相比于其他共軸直升機(jī)有很大的突破，例如，它可以設(shè)定巡航路線，并自動(dòng)開啟巡航模式，如有需要可立即在某地點(diǎn)進(jìn)行停留。

在2016年歐洲防務(wù)展上，Rafael公司發(fā)布了FIREFLY（螢火蟲）巡航彈（如圖15所示），適用于500m城市地形和1km開闊地形的典型射程，為處于最低戰(zhàn)術(shù)梯隊(duì)的步兵提供安全和有目的漫游偵察，用于獲取實(shí)時(shí)作戰(zhàn)環(huán)境中的視距內(nèi)和超視距戰(zhàn)術(shù)情報(bào)。該系統(tǒng)由機(jī)身、可見光/紅外傳感器和具有雙向數(shù)據(jù)鏈路的集成制導(dǎo)系統(tǒng)組成，質(zhì)量不足3kg，裝在一個(gè)密封的輕質(zhì)容器中。該系統(tǒng)既可以裝在一個(gè)小背包里，也可以分發(fā)給連/排級(jí)別的單個(gè)士兵。螢火蟲可以在空中游蕩30min左右，也可以在不同的位置降落，續(xù)航時(shí)間可以延長(zhǎng)到幾個(gè)小時(shí)。

2018年，美國(guó)NASA發(fā)表了火星用直升機(jī)探測(cè)器［18］，翼展達(dá)到1.21m，質(zhì)量約1.7kg（如圖16所示）。采用共軸雙槳設(shè)計(jì)，對(duì)火星進(jìn)行空中探測(cè)，可以提供超越軌道衛(wèi)星、著陸器和漫游者的任務(wù)能力。它能以受控的方式進(jìn)入到指定目標(biāo)地點(diǎn)并降落，還能用來攜帶或回收小型有效載荷。飛行器可以快速偵察出安全的穿越路線或?qū)赡艿目茖W(xué)目標(biāo)目的地進(jìn)行偵察，也能探測(cè)漫游者無法到達(dá)的區(qū)域，能及時(shí)的將小的科學(xué)樣本帶回火星飛船，返回地球。

圖9 Flexible MAV 無人直升機(jī)Fig.9 Flexible MAV unmanned helicopter

圖10 FR微小型直升機(jī)Fig.10 FR mini helicopter

圖11 MuFly 無人直升機(jī)Fig.11 MuFly unmanned helicopter

圖12 GLMAV 無人直升機(jī)Fig.12 GLMAV unmanned helicopter

圖13 Tiger Moth無人直升機(jī)Fig.13 Tiger Moth unmanned helicopter

圖14 Sprite航拍機(jī)Fig.14 Sprite unmanned helicopter

圖15 Rafael公司FIREFLY巡航彈Fig.15 Rafael FIREFLY cruise missile

圖16 火星探測(cè)飛行器Fig.16 Mars exploration vehicle

4 微小型共軸直升機(jī)關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1 最優(yōu)化總體設(shè)計(jì)

微小型共軸直升機(jī)的總體設(shè)計(jì)應(yīng)考慮質(zhì)量輕、體積小、機(jī)動(dòng)性高、效能比高幾項(xiàng)原則。如果幾項(xiàng)原則之間存在制約與矛盾時(shí)，應(yīng)考慮飛行器在同一質(zhì)量下時(shí)，其尺寸與機(jī)動(dòng)性、效能比成反比關(guān)系［19］。因此，在設(shè)計(jì)微小型共軸飛行器時(shí)，應(yīng)首先考慮符合拉升強(qiáng)度且足夠輕量化的材料；然后再綜合考量體積、機(jī)動(dòng)性和效能比等因素在具體項(xiàng)目中的重要性，劃分出一定優(yōu)先級(jí)以達(dá)到總體設(shè)計(jì)的綜合最優(yōu)。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)的要求，分解各個(gè)子系統(tǒng)的功能和性能，確定各個(gè)子系統(tǒng)的布局，對(duì)設(shè)計(jì)好的共軸直升機(jī)進(jìn)行三維立體建模，并對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，確保所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的可行性。

4.2 動(dòng)力與能源

微小型共軸直升機(jī)的動(dòng)力裝置一般包含微型直流電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、旋翼等，能量由機(jī)載電池提供。目前各種微小型飛行器都使用電機(jī)和電池的組合搭配，電機(jī)中線圈和硅鋼片的質(zhì)量占比大，同時(shí)由于電池技術(shù)的制約，電池的續(xù)航和質(zhì)量都亟待提高，致使能源和驅(qū)動(dòng)裝置在整個(gè)飛行器的質(zhì)量中占較大比重，并同時(shí)消耗了大部分能量。因此，高效的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，以及高密度能量的電池技術(shù)或能研發(fā)出一種新能源是推動(dòng)飛行器微小型化普及的關(guān)鍵。其次，一般應(yīng)將發(fā)動(dòng)機(jī)緊靠旋翼軸和主減速器，以使得傳動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量最輕。由于動(dòng)力裝置需要經(jīng)常進(jìn)行檢查，要認(rèn)真考慮動(dòng)力裝置的使用維護(hù)性和可靠性。

4.3 低雷諾數(shù)環(huán)境空氣動(dòng)力學(xué)特性

共軸直升機(jī)的微小型化不僅是常規(guī)飛行器的簡(jiǎn)單縮小，其尺寸的微小型化也帶來許多亟待解決的難題，低雷諾數(shù)下的空氣動(dòng)力學(xué)分析即為其中最為重要的問題之一。由于主尺度較小，飛行速度較低，其相應(yīng)的雷諾數(shù)范圍大約在102～105之間。低雷諾數(shù)下空氣黏性效應(yīng)顯著，氣動(dòng)力出現(xiàn)一些與高雷諾數(shù)下顯著不同特性，所以普通直升機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)原理不能直接應(yīng)用于微小型的共軸直升機(jī)。一般需要建立三維流場(chǎng)物理模型，采用適合的數(shù)值分析方法計(jì)算，對(duì)低雷諾數(shù)下的飛行過程中的各個(gè)狀態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得流場(chǎng)分析數(shù)據(jù)，從而分析低雷諾數(shù)環(huán)境下共軸直升機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)特性。然后根據(jù)其特定的動(dòng)力學(xué)特性，優(yōu)化升力部分的設(shè)計(jì)，提高飛行器的飛行效率。

4.4 動(dòng)力學(xué)模型的建立

微小型共軸直升機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程應(yīng)是多體動(dòng)力學(xué)方程，至少應(yīng)該包括機(jī)身運(yùn)動(dòng)方程和旋翼?yè)]舞運(yùn)動(dòng)方程。直升機(jī)飛行動(dòng)力學(xué)把共軸直升機(jī)機(jī)身視為理想剛體，這樣共軸直升機(jī)在空中的運(yùn)動(dòng)有6個(gè)自由度，即質(zhì)心的3個(gè)移動(dòng)自由度和繞質(zhì)心的3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。相應(yīng)的，共軸直升機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程由質(zhì)心的移動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程和繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程組成。旋翼是共軸直升機(jī)的升力面，又是飛行器的操縱面，提供使飛行器升降、俯仰和滾轉(zhuǎn)的操縱力和力矩，完成飛行器向任何方向飛行。旋翼的揮舞化解了飛行器在飛行過程中氣流不對(duì)稱對(duì)升力造成的影響。旋翼的揮舞對(duì)共軸直升機(jī)的穩(wěn)定性、操縱性和配平起著關(guān)鍵作用，是直升機(jī)操穩(wěn)分析的主要特點(diǎn)和難點(diǎn)，也是區(qū)別于固定翼飛機(jī)操穩(wěn)分析的主要根源。

實(shí)際建模過程中很難建立準(zhǔn)確可靠的動(dòng)力學(xué)模型是因?yàn)轱w行器飛行時(shí)會(huì)受到空氣動(dòng)力、重力、旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的陀螺效應(yīng)和慣性力矩以及外部環(huán)境的氣流干擾［20］。此外，所使用的旋翼在尺寸和強(qiáng)度方面的數(shù)據(jù)，也將直接影響模型的準(zhǔn)確性。目前，大多采用分體建模法（牛頓力學(xué)［21-23］）及一體化建模（Lagrange 方程［24］與Hamilton原理法）。其次，對(duì)于模型方程的線性化求解也是影響結(jié)果準(zhǔn)確度的重點(diǎn)之一。

4.5 飛行控制

飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅與所建模型高度相關(guān)，也受傳感器反饋精度的影響。微小型共軸直升機(jī)不僅有多個(gè)變量，非線性強(qiáng)、運(yùn)動(dòng)耦合性強(qiáng)、對(duì)干擾極其敏感，而且多數(shù)都是欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這使得共軸直升機(jī)的飛控系統(tǒng)較為復(fù)雜。

姿態(tài)控制是共軸直升機(jī)飛行控制的重點(diǎn)，共軸直升機(jī)的運(yùn)動(dòng)存在很強(qiáng)的耦合性：在xy平面的運(yùn)動(dòng)，必定耦合z方向的運(yùn)動(dòng)。解決了姿態(tài)控制的難題就能實(shí)現(xiàn)位置控制，姿態(tài)控制器的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證一直是國(guó)際上研究的重點(diǎn)，如解耦控制算法［22］，基于步進(jìn)技術(shù)的非線性控制算法［23］等。不過就具有類似控制特性的微小型四旋翼飛行器比證，雖然設(shè)計(jì)非線性控制律在仿真計(jì)算時(shí)得到的效果很好，但由于采用的模型準(zhǔn)確度問題，實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出的數(shù)據(jù)反而沒有PID控制來得有效［25-26］。因此，設(shè)計(jì)出能完成精確的姿態(tài)控制，又具備環(huán)境自適應(yīng)能力的控制器是一項(xiàng)緊迫的任務(wù)。

此外，微小型共軸直升機(jī)主要用于近地環(huán)境，近地環(huán)境復(fù)雜且遮擋物較多，有建筑群、山地、森林、隧道等。GPS時(shí)常丟星，不能準(zhǔn)確鎖定位置，在任務(wù)實(shí)施過程中，需要綜合慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、可視系統(tǒng)、雷達(dá)等技術(shù)。在此場(chǎng)景下，對(duì)通信鏈技術(shù)的傳輸距離和可靠性也提出了較高的要求。

5 結(jié)束語

微小型共軸直升機(jī)在軍事和民用領(lǐng)域都有十分廣闊的應(yīng)用前景，具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的研究?jī)r(jià)值。同時(shí)共軸直升機(jī)的微小型化也需要多學(xué)科交叉，比如電子、材料、通信、流體力學(xué)等，在發(fā)展的同時(shí)也能推動(dòng)多學(xué)科研究的深入。我國(guó)的微小型共軸直升機(jī)尚處于預(yù)研或者原理樣機(jī)階段，展開此類飛行器的研究意義重大，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)小型無人飛行器跨越式發(fā)展提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)儲(chǔ)備。