賈新強 張松 黃飛飛

摘要：有人直升機精確著艦是亟待解決的一項技術(shù)難題。面向著艦任務(wù)需求，本文構(gòu)建了人機一體式仿真模型，選取典型著艦任務(wù)科目基元（MTE）。人機仿真模型包括駕駛員模型、直升機飛行動力學仿真模型、不同構(gòu)型下直升機飛行控制律以及包括艦面環(huán)境綜合仿真模型。上述模型在統(tǒng)一的仿真空間內(nèi)定義并互相進行交聯(lián)，可有效地對著艦任務(wù)中的人機閉環(huán)系統(tǒng)進行模擬?；谏鲜龇抡婺Ｐ?，進行了人在回路試驗仿真，結(jié)果表明響應(yīng)類型平移速率（TRC）可以有效地提升有人直升機著艦任務(wù)成功率，這對著艦控制律的設(shè)計具有顯著的意義。

關(guān)鍵詞：直升機控制；控制律設(shè)計；響應(yīng)類型；艦面環(huán)境建模；人機閉環(huán)仿真

中圖分類號：V219文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.01.009

傳統(tǒng)的有人駕駛直升機在著艦任務(wù)中操縱負擔較大。艦面上方的尾流干擾、艦船甲板擾動、直升機地效、海浪環(huán)境下能見度降低等多種不利因素的疊加，使得著艦風險難以把控。因此，在直升機飛控系統(tǒng)的設(shè)計過程中需要對著艦任務(wù)科目的各個環(huán)節(jié)進行完善的仿真分析與性能評估，確保在真實著艦場景中飛行員操縱負荷與直升機運動狀態(tài)風險可控。目前，已經(jīng)有較多關(guān)于艦載狀態(tài)下的飛控閉環(huán)仿真研究，以確保直升機在復(fù)雜環(huán)境中較好的姿態(tài)與速度響應(yīng)。對于飛行員駕駛模型，將飛行員操縱時間、操縱指令及操縱精度等因素加入到直升機飛控系統(tǒng)中，形成人-機-環(huán)境閉環(huán)系統(tǒng)[1]；對于艦艉流仿真模型，參考“黑鷹”直升機的試驗結(jié)果，認為艦艉流作用在直升機旋翼上，改變了槳距的實際數(shù)值；對于艦船模型，采用了5級海況下諾克斯級護衛(wèi)艦的正弦波疊加模型的數(shù)學模型。通過以上各種仿真模塊的綜合，可以逐漸形成完善的人-機-艦綜合閉環(huán)仿真系統(tǒng)。

為了達到更高的飛行品質(zhì)和降低飛行員駕駛負擔，本文在綜合了著艦各部分仿真模塊的基礎(chǔ)上對比了以不同響應(yīng)類型為核心的控制算法。仿真結(jié)果表明，相較于角速率指令響應(yīng)類型（RC）和帶姿態(tài)保持的姿態(tài)指令響應(yīng)類型（ACAH），平移速率響應(yīng)類型（TRC）能夠更加柔和而精確地控制直升機姿態(tài)與速度響應(yīng)[2-3]，有效提升有人直升機著艦任務(wù)成功率。具體的仿真建模技術(shù)分為以下5個部分：（1）飛行員神經(jīng)運動模型；（2）甲板風場模型；（3）基于TRC響應(yīng)類型的模型跟隨控制算法；（4）直升機運動模型；（5）著艦仿真驗證環(huán)境。圖1為該系統(tǒng)仿真模型結(jié)構(gòu)圖。

1直升機動力學模型

直升機數(shù)學模型使用9階線性狀態(tài)空間模型[4]，具體如下：

2直升機飛行控制律設(shè)計

大多數(shù)直升機是RC響應(yīng)類型，即指令輸入對應(yīng)角速度，在此不再贅述。為了在俯仰軸和滾轉(zhuǎn)軸、穩(wěn)定直升機運動狀態(tài)，飛行員在達到期望俯仰角時必須反向操縱駕駛桿，而這種控制方式在不良目視環(huán)境下非常危險。為了克服這一問題，ADS-33E提出了在不良目視環(huán)境下要求滿足更高等級的響應(yīng)類型。當目視條件降級為一般目視環(huán)境時，響應(yīng)類型應(yīng)從RC變化為ACAH響應(yīng)類型，此時UCE=2（一般目視環(huán)境）；當響應(yīng)類型繼續(xù)降級到UCE=3（不良目視環(huán)境）時，響應(yīng)類型應(yīng)從ACAH切換到TRC響應(yīng)類型。這種設(shè)計要求為直升機提供了更好的穩(wěn)定性，通過減少飛行員反復(fù)操縱實現(xiàn)降低操縱負擔的目的。

2.1 ACAH響應(yīng)類型

為了滿足ADS-33E帶寬準則，需要合理選擇二階環(huán)節(jié)的阻尼比與自然頻率。通過飛行員在環(huán)仿真得到的參數(shù)，見表1。

在具體實現(xiàn)中，為了避免使用微分模塊，指令模型和逆模型在仿真中同時生成。通過將二階環(huán)節(jié)拆分成可觀測的形式，得到指令角速度和角加速度。根據(jù)這兩個指令變量，計算出對應(yīng)的逆模型輸入指令。其中俯仰軸ACAH響應(yīng)的指令模型與逆模型結(jié)果如圖2所示。其中，指令俯仰角和俯仰角速度將與實際的反饋變量作差形成反饋控制指令。

2.2 TRC響應(yīng)類型

對于TRC響應(yīng)類型，其對應(yīng)外環(huán)速度控制。實現(xiàn)方式為在ACAH響應(yīng)類型控制結(jié)構(gòu)上增加縱橫向地速反饋，縱向TRC控制結(jié)構(gòu)具體實現(xiàn)如圖3所示。

按照以上搭建的控制律結(jié)構(gòu)，縱橫向均能夠?qū)崿F(xiàn)TRC/ ACAH/RCAH三種響應(yīng)類型，滿足了各級UCE條件下降低飛行員駕駛負擔的要求，能夠有效提高飛行品質(zhì)。各軸的主要響應(yīng)類型見表2。

小速度時采用TRC響應(yīng)類型可以實現(xiàn)更加精準的控制，其余情況為保證機動性依舊采用ACAH響應(yīng)類型，具體切換策略見表3，響應(yīng)類型的切換通過設(shè)置轉(zhuǎn)換開關(guān)實現(xiàn)：當速度超過20m/s，斷開TRC支路，切換為ACAH響應(yīng)類型。

3駕駛員建模

在有人駕駛直升機中，飛行員接收來自外界的復(fù)雜環(huán)境信息和直升機儀器儀表顯示的各種姿態(tài)信息，同時對直升機系統(tǒng)發(fā)出控制指令；而且飛行員的操作同時受到個人情緒等因素的影響，因此飛行員的操作可以看作復(fù)雜的控制系統(tǒng)。顯然，建立飛行員的數(shù)學模型是十分困難的，但是對特定的飛行任務(wù)的控制行為進行數(shù)學化建模是可行的。飛行員操縱直升機時，存在反應(yīng)延時、操縱誤差和操縱延時等，本文中應(yīng)用控制理論中的一階、二階線性環(huán)節(jié)和延遲環(huán)節(jié)的組合來表達飛行員對直升機的操縱。再考慮到個人喜好等非線性、時變因素和采樣特征，在線性傳遞函數(shù)上加入隨機噪聲，建立擬線性控制模型（QLCM）來描述飛行員控

制模型[5]。

4艦面環(huán)境建模

4.1艦船運動模型

直升機著艦過程中，由于海浪的運動引起艦船六自由度運動，使著艦中心點成為一個在三維空間實時變化的點[5-7]。

本文中使用正弦波疊加的方式模擬甲板運動，艦船甲板運動模型參考5級海況下諾克斯級護衛(wèi)艦甲板運動。艦船主要參數(shù)見表4。

艦船甲板運動曲線如圖5所示，其中？為艦船滾轉(zhuǎn)角，θ為艦船俯仰角，Ys為著艦點側(cè)向位置變化，Hs為著艦點高度變化。

由仿真曲線可以看出，5級海況下，著艦點側(cè)向位移最大0.75m，高度變化最大超過1.6m。

4.2艦艉流模型

直升機著艦的區(qū)域一般位于艦船尾部，由于其前部受艦船的上層建筑物的遮擋，而后部空間開闊，造成了著艦區(qū)域空氣流場復(fù)雜多變，產(chǎn)生劇烈的湍流[8-11]。著艦過程中，直升機速度較低，氣流擾動對直升機的影響十分明顯。

實際飛行過程中，直升機受到氣流擾動主要作用在旋翼上，體現(xiàn)為縱向周期變距、橫向周期變距、總距和尾槳距的變化。艦艉流模型以傳遞函數(shù)的形式給出，是直升機旋翼半徑、氣流擾動強度和風的平均速度的函數(shù)。

設(shè)定噪聲強度為10，風速均值為15m/s，本文所研究的無人直升機發(fā)動機額定狀態(tài)下旋翼轉(zhuǎn)速為450r/m，氣流擾動產(chǎn)生的槳距變化如圖6所示。

5著艦任務(wù)仿真

著艦任務(wù)仿真中必須考慮直升機響應(yīng)時延以便提高仿真結(jié)果準確性。根據(jù)工程經(jīng)驗，通過給模型中的直升機狀態(tài)輸出增加50ms延遲來體現(xiàn)。

5.1面向著艦任務(wù)的典型MTE的選擇

著艦的完整流程可分解為下滑進近、懸停保持與垂直著艦三個階段。典型的著艦下滑軌跡的建立如圖7所示。參考文獻[1]對直升機著艦MTE選擇如下。

減速進場：直升機初始高度為140m，初始地速為120km/h，以4°的下滑角。逐漸將速度減為地速40km/h，直升機高度降為40m。

精確懸停：該科目用于模擬直升機進入甲板并精確保持的過程。直升機進場方式大致可分為45°、0°和90°進場方式，如圖8所示。本文采用45°進場方式。直升機約40m的高度，逐漸將高度降至6m，地速降至10～18km/h，機體方向與甲板縱軸方向平行，飛行方向與甲板縱向呈45°。人機閉環(huán)系統(tǒng)通過實時感知懸停位置的偏差實現(xiàn)精確懸停。

垂直機動：該科目用于考核直升機在高懸停點和低懸停點的垂向機動能力。針對著艦任務(wù)，需要捕捉著艦靜息期，快速將直升機高度從6m調(diào)整至1.5m，最終完成著艦任務(wù)。

5.2人機閉環(huán)仿真模型的構(gòu)建

面向著艦任務(wù)的人機閉環(huán)仿真模型各個模塊的示意圖如圖9所示。整個仿真模型的輸入為著艦MTE要素。通過構(gòu)建虛擬的駕駛員模型并感知機體的位置信息，實現(xiàn)人機閉環(huán)仿真模擬功能：飛行員模型通過綜合機體的位置信息，并綜合MTE要素，計算著艦位置控制的修正量；進一步通過考慮飛行員操縱特性，計算桿操縱輸入量；機-艦仿真模型將桿操縱輸入作為輸入，可對機體的實際位置和姿態(tài)進行計算，最終完成著艦任務(wù)仿真。

5.3仿真結(jié)果

模擬5級海況條件，分別選用TRC/ACAH/RC三種響應(yīng)類型，進行人在回路仿真，圖10為著艦判定示意圖，著艦仿真結(jié)果如圖11～圖13所示。

根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，在采用TRC響應(yīng)類型時，直升機基本都能滿足落點精度要求，在采用ACAH響應(yīng)類型時，會有個別點落在精度要求范圍之外，在采用RC響應(yīng)類型時，有較多點落在精度要求范圍外。

6結(jié)論

本文通過建立、分析直升機力學模型、駕駛員模型以及艦船運動模型，設(shè)計了直升機飛行控制律，并基于著艦任務(wù)需求，構(gòu)建面向著艦任務(wù)的人機閉環(huán)系統(tǒng)，進行人在回路試驗仿真，對比了不同響應(yīng)類型下著艦控制效果。結(jié)果表明，相較于RC、ACAH響應(yīng)類型，采用TRC響應(yīng)類型，可以大幅提高5級海況下的著艦成功率，對后續(xù)型號設(shè)計應(yīng)用有較大的指導(dǎo)意義。

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（責任編輯陳東曉）

作者簡介

賈新強（1972-）男，高級工程師。主要研究方向：飛行控制。

Tel：029-61889006

E-mail：spad@163.com

張松（1994-）男，助理工程師。主要研究方向：直升機飛行控制。

Tel：029-61888329

E-mail：597337236@qq.com

黃飛飛（1995-）男，碩士研究生。主要研究方向：直升機飛行控制。

Tel：029-61888370

E-mail：1175641481@qq.com

Design and Simulation of Helicopter Landing Control Law Based on Man in Loop

Jia Xinqiang1，*，Zhang Song2，Huang Feifei2