梁霄

【摘 要】無人直升機(jī)飛行距離遠(yuǎn)，隱蔽性好，起飛著陸場地小，可方便地起降，又可在空中作懸停飛行，因此在軍事和民用方面有著廣泛的用途?？刂葡到y(tǒng)是無人機(jī)的核心，先進(jìn)飛機(jī)的控制技術(shù)是實現(xiàn)自主控制的最主要的支撐技術(shù)之一。本文對無人直升機(jī)的控制系統(tǒng)的構(gòu)成及工作過程進(jìn)行了概括介紹，對無人機(jī)控制系統(tǒng)整體設(shè)計思路進(jìn)行了探索。

【關(guān)鍵詞】無人直升機(jī)；飛行控制；系統(tǒng)

1.前言

無人駕駛飛機(jī)（UnmannedAirVehicle，UAV）是一種帶動力的、無線電遙控或自主飛行的、執(zhí)行多種任務(wù)并能多次使用的無人駕駛飛行器。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，無人機(jī)在偵察、監(jiān)視、目標(biāo)獲取、目標(biāo)指示、通訊中繼、戰(zhàn)場傷亡評估、通訊和電子智能、干擾、生化探測等方面都發(fā)揮了重要的作用[1]。而無人直升機(jī)飛行距離遠(yuǎn)，隱蔽性好，起飛著陸場地小，可方便地在中小艦艦上和屋頂上起降，又可在空中作懸停飛行，飛行安全性高，因此在軍事和民用方面有著廣泛的用途。無人駕駛直升機(jī)的性能在很大程度上取決于它的飛行控制系統(tǒng)設(shè)計，這些性能包括各種飛行性能（包括起飛著陸性能、作業(yè)飛行性能），飛行安全可靠性，飛行可監(jiān)控性，系統(tǒng)可操縱性和可維護(hù)性，以及人機(jī)接口任務(wù)設(shè)置的友好性等[2]。總之，無論軍用或民用都要求無人直升機(jī)具有高的飛行準(zhǔn)確性、安全可靠性和系統(tǒng)可監(jiān)控性?？刂葡到y(tǒng)是無人機(jī)的核心。無人機(jī)要完成自主飛行，需要控制系統(tǒng)對內(nèi)回路（姿態(tài)回路）和外回路（水平位置和高度回路）都具有良好的控制特性。從有人駕駛飛行向UAV自主飛行的發(fā)展，實際上是飛行自動化向飛行自主化的發(fā)展，飛機(jī)的控制系統(tǒng)要扮演決策與控制的雙重角色。顯而易見，飛機(jī)的控制技術(shù)是實現(xiàn)自主控制的最主要的支撐技術(shù)之一[3]。

2.系統(tǒng)構(gòu)成

無人機(jī)通常分為遙控型、自主型及遙控—自主復(fù)合型。由于無人直升機(jī)是非線性、強(qiáng)耦合、多變量的不穩(wěn)定系統(tǒng)，完全的自主飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計較為復(fù)雜，且無人直升機(jī)飛行的高度較低，因此一般采用遙控—自主復(fù)合型控制?？紤]到無人直升機(jī)一般為微小型成本低的無人機(jī)，因此在設(shè)計飛機(jī)的性能指標(biāo)時，應(yīng)考慮如下因素：

1）直升機(jī)穩(wěn)定性差、不易控制，具有多變量、非線性交耦和柔性結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性，而且對直升機(jī)動力學(xué)特性的建模難度較大，尤其不易準(zhǔn)確建立六自由度考慮非線性、交耦的動力學(xué)模型。這對飛行控制系統(tǒng)設(shè)計帶來一定難度。

2）無人直升機(jī)的飛行環(huán)境惡劣，要求有強(qiáng)的抗風(fēng)擾動能力和準(zhǔn)確的飛行控制。

3）要求精確的自主姿態(tài)控制和升力控制，強(qiáng)的姿態(tài)穩(wěn)定能力。

4）要求精確的軌跡自主控制（包括導(dǎo)航控制飛行）能力。

機(jī)上部分：包含無線電傳輸部分、舵機(jī)系統(tǒng)、飛控計算機(jī)、目標(biāo)任務(wù)控制計算機(jī)、GPS導(dǎo)航設(shè)備、三軸姿態(tài)傳感器以及必要的大氣數(shù)據(jù)傳感器等。

地面部分：包括遙控操縱設(shè)備、目標(biāo)任務(wù)監(jiān)視設(shè)備、飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備、無線電傳輸設(shè)備、以及地面綜合控制處理計算機(jī)。

3.系統(tǒng)功能實現(xiàn)

無人直升機(jī)飛行即為實現(xiàn)既定任務(wù)，因此在設(shè)計整個無人機(jī)系統(tǒng)的飛行控制系統(tǒng)時，應(yīng)該參考無人機(jī)的功能任務(wù)。從無人直升機(jī)系統(tǒng)工作流程圖可以得到無人機(jī)控制系統(tǒng)的必須的幾個功能模塊：

3.1準(zhǔn)備起飛階段待機(jī)功能

飛機(jī)電子設(shè)備都處于通電開機(jī)待機(jī)狀態(tài)，等待地面控制設(shè)備的無線電信號的起飛指令。這個狀態(tài)主要是為飛機(jī)的控制系統(tǒng)輸入飛機(jī)飛行所必須的任務(wù)、目標(biāo)信息，飛機(jī)起飛前的各個初始狀態(tài)，飛機(jī)所要執(zhí)行的任務(wù)的飛行程序模塊（飛機(jī)執(zhí)行不同任務(wù)所執(zhí)行的飛機(jī)控制程序不同，通過更改軟件來使飛機(jī)的用途多樣化）。

3.2垂直起降功能

直升機(jī)的優(yōu)點之一就是能夠垂直起降，不依賴機(jī)場環(huán)境。因此垂直起降功能是無人直升機(jī)控制系統(tǒng)必須實現(xiàn)的一種功能。執(zhí)行這個功能時，飛控計算機(jī)發(fā)出信號給執(zhí)行機(jī)構(gòu)（舵機(jī)，發(fā)動機(jī)油門），協(xié)調(diào)舵機(jī)和發(fā)動機(jī)油門等結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，使飛機(jī)穩(wěn)定的垂直起飛。

3.3高度保持

無人直升機(jī)自主飛行的過程中，飛機(jī)狀態(tài)的穩(wěn)定是一個主要的問題。地面監(jiān)控設(shè)備可以監(jiān)控?zé)o人直升機(jī)的飛行狀態(tài)，以便在特殊狀態(tài)下干預(yù)飛機(jī)的飛行。干預(yù)過后可以遙控飛機(jī)返航，或者使飛機(jī)回復(fù)某一過渡狀態(tài)后再次過渡到自主飛行階段，而高度保持功能即為這一過渡狀態(tài)。（當(dāng)然也可以選定其他飛行階段）。

3.4調(diào)整姿態(tài)航向（軌跡控制）功能

在這一個功能下，飛控計算機(jī)綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的信息，發(fā)出信號給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，更改飛機(jī)姿態(tài)，調(diào)整（修正）航跡。軌跡控制可以使飛機(jī)沿著預(yù)定的軌跡飛向任務(wù)目標(biāo)，修正偏差，以實現(xiàn)精確制導(dǎo)控制。

3.5姿態(tài)穩(wěn)定功能

無人機(jī)在執(zhí)行目標(biāo)任務(wù)時，無論目標(biāo)任務(wù)是偵查還是攻擊，無人機(jī)狀態(tài)的穩(wěn)定都影響任務(wù)完成的效果。因此無人直升機(jī)應(yīng)該具有保持飛機(jī)飛行姿態(tài)穩(wěn)定的功能。

3.6無線電遙控功能

直升機(jī)是非線性、強(qiáng)耦合、多變量的不穩(wěn)定系統(tǒng)，因此直升機(jī)的飛行控制也是非常復(fù)雜的。對于自主飛行的無人直升機(jī)，由于飛行環(huán)境的惡劣以及本身的不穩(wěn)定性，飛行的安全保證是一個十分重要的問題，必須能夠在發(fā)生自主飛行程序無法操縱飛機(jī)的情況下，能夠由地面控制系統(tǒng)通過無線電系統(tǒng)來無線電遙控飛機(jī)，使其能夠安全返航。在這個功能模塊，地面監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)無人直升機(jī)傳回的飛機(jī)飛行狀態(tài)情況判斷飛機(jī)飛行是否正常，在飛機(jī)飛行出現(xiàn)異常狀況時向監(jiān)控人員報警，地面操縱人員利用地面操縱系統(tǒng)遙控飛機(jī)來保證飛機(jī)的飛行安全。另外，整個無人直升機(jī)的控制系統(tǒng)還應(yīng)該包括如下兩個功能摸塊：

1）決策控制電路模塊。接收來自敏感元件（高度等大氣信號或者俯仰角等姿態(tài)信號）、導(dǎo)航系統(tǒng)（飛機(jī)的方位信號，飛機(jī)的航跡偏差等信號）、無線電系統(tǒng)（遙控指令信號等）、任務(wù)控制電路（載荷的目標(biāo)任務(wù)完成情況）、飛控計算機(jī)（飛機(jī)當(dāng)前狀態(tài)）的信號，綜合處理后得到適當(dāng)?shù)男盘杹戆l(fā)送給飛控計算機(jī)。這個模塊的功能就是模擬有人直升機(jī)的駕駛員，在一定條件（如飛機(jī)到達(dá)一定高度等）下觸發(fā)一定的程序來發(fā)出信號給飛控計算機(jī)，使飛機(jī)在各個功能之間轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)飛機(jī)飛行控制的自主化，同時還擔(dān)當(dāng)著信號轉(zhuǎn)換的作用，協(xié)調(diào)各種形式的信號；

2）目標(biāo)任務(wù)控制電路模塊用來控制任務(wù)載荷在適當(dāng)?shù)臅r候來執(zhí)行預(yù)定任務(wù)。綜合來自導(dǎo)航系統(tǒng)（任務(wù)目標(biāo)方位確定）、無線電系統(tǒng)（地面任務(wù)指令）、飛控計算機(jī)（飛機(jī)飛行姿態(tài)狀況）的信號，通過處理后發(fā)出信號給任務(wù)載荷（如偵察設(shè)備等）來執(zhí)行適合任務(wù)，并接收任務(wù)完成情況的信息傳遞給決策電路。將無人直升機(jī)的控制系統(tǒng)分為以上的幾個功能模塊，就可以借鑒有人直升機(jī)的飛行控制系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗，設(shè)計各個功能模塊的控制律，并對控制律進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化或簡化，然后再考慮與其他系統(tǒng)的交聯(lián)及耦合，這樣就減小了無人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計工作的復(fù)雜性，節(jié)約了時間。

4.結(jié)束語

直升機(jī)因為具有靈活機(jī)動、對機(jī)場環(huán)境依賴程度低等優(yōu)點，在軍事上的應(yīng)用受到了重視，但同時因為飛行高度低、飛行環(huán)境復(fù)雜導(dǎo)致了戰(zhàn)場生存力低等缺點，發(fā)展又受到了限制。因此無人直升機(jī)是直升機(jī)技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。這其中的關(guān)鍵就是飛機(jī)的控制技術(shù)。無人直升機(jī)飛行從自動化到自主化的發(fā)展，是以后技術(shù)研究的方向。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王昆玉.直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)[M].北京：北京海洋出版社，2017.

[2]嚴(yán)平，陳穎，陳曦.無人機(jī)飛行安全控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機(jī)測量與控制.2017.15（7），1671-4598.

[3]吳森堂，費玉華.飛行控制系統(tǒng)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2015.