李星作，金 鑫，薛 晉，高 陽(yáng)

（1.中國(guó)人民解放軍61902 部隊(duì)，四川 宜賓 644002；2.西安飛行自動(dòng)控制研究所，西安 710000）

無(wú)人直升機(jī)逐漸在軍事、民用等諸多領(lǐng)域起到越發(fā)重要的作用[1-2]。為保證飛行安全，操作人員需要實(shí)時(shí)關(guān)注飛行狀態(tài)與周邊環(huán)境，實(shí)現(xiàn)無(wú)人直升機(jī)的精確控制。尤其是在低空條件下，無(wú)人直升機(jī)在進(jìn)行陸基自動(dòng)起降、船基自動(dòng)起降的過(guò)程中，會(huì)受到低空突變風(fēng)、艦船尾流、低高度建筑物、地面效應(yīng)等多種不確定因素的干擾，使得無(wú)人直升機(jī)在控制過(guò)程中，操作手需要關(guān)注諸多影響因素，如不能對(duì)意外情況有效及時(shí)處理，便會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的事故。

因此面向無(wú)人直升機(jī)操縱過(guò)程，需要完成人-機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)建模，并考慮任務(wù)科目的前提下，通過(guò)仿真的手段提前預(yù)知飛行過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，確保在真實(shí)飛行過(guò)程中操作手的操縱負(fù)荷較低，能夠保證無(wú)人直升機(jī)飛行安全，避免飛行事故[3]。

本文面向無(wú)人直升機(jī)操作手地面操縱控制問(wèn)題，考慮無(wú)人直升機(jī)操縱多維因素，同時(shí)在無(wú)人直升機(jī)飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證中充分考慮操作手的操縱特點(diǎn)，建立閉環(huán)模型，作為仿真對(duì)象；同時(shí)，在此基礎(chǔ)上模擬有人直升機(jī)控制策略，研究以多響應(yīng)類型為核心的模型跟隨控制架構(gòu)作為主要控制算法。該算法的實(shí)現(xiàn)可以在不良目視環(huán)境中大幅減少操作手反復(fù)操縱的過(guò)程，能夠更加柔和與精確地控制無(wú)人直升機(jī)姿態(tài)、速度及位置響應(yīng)[4]。

1 無(wú)人直升機(jī)動(dòng)力學(xué)模型

無(wú)人直升機(jī)數(shù)學(xué)模型采用九階線性狀態(tài)空間模型[5]，具體表征如下

式中：X 為狀態(tài)量；A 為氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)矩陣；C 為操縱導(dǎo)數(shù)矩陣；B 為控制輸入矩陣；U 為控制輸入向量。

式中，φ、θ、Ψ 分別代表無(wú)人直升機(jī)的滾轉(zhuǎn)角，俯仰角和航向角；u、ν……分別為機(jī)體坐標(biāo)系下的前、側(cè)和天向速度；p、q、r 分別代表機(jī)體坐標(biāo)系下的四軸角速度。

控制輸入U(xiǎn) 可表征為U=Uc+Ur，其中Uc表示為飛控系統(tǒng)的控制量，分別為縱向周期變距角B1Cc，橫向周期變距角A1Cc，總距槳距角CTCc，尾槳槳距角DTCc，Ur表示為外部操縱補(bǔ)償控制量，代表飛行員操縱的控制量，從數(shù)學(xué)上也表示為向量形式，疊加在無(wú)人直升機(jī)模型的控制量上。

2 低空風(fēng)擾模型

一般旋翼飛行器在近地直升機(jī)近地飛行時(shí)，由于地面對(duì)旋翼的下洗氣流會(huì)起到抑制作用，使槳盤處的誘導(dǎo)速度減小，意味著直升機(jī)產(chǎn)生給定拉力所需功率減小，即在無(wú)人直升機(jī)近地飛行時(shí)，原有的給定功率會(huì)產(chǎn)生更大的旋翼拉力。該類現(xiàn)象被稱為地面效應(yīng)。

地效是將旋翼誘導(dǎo)速度減小k 倍，在拉力不變的條件下，需用誘導(dǎo)功率在有地效與無(wú)地效時(shí)的值之比應(yīng)該是k，也可以說(shuō)在地面效應(yīng)與無(wú)地面效應(yīng)相比時(shí)，當(dāng)功率不變，兩者的拉力之比為k。

結(jié)合已有材料，根據(jù)旋翼高度，可計(jì)算出影響因子k，旋翼拉力乘以k，可估算該高度時(shí)地面效益對(duì)旋翼拉力的影響。當(dāng)飛行高度離地高于旋翼半徑的2 倍時(shí)，地效對(duì)直升機(jī)的影響幾乎可忽略不計(jì)。

3 人-機(jī)-環(huán)境閉環(huán)模型構(gòu)造

3.1 操作手模型構(gòu)建

操作手操縱無(wú)人直升機(jī)時(shí)，存在反應(yīng)延時(shí)、操縱延時(shí)和無(wú)人直升機(jī)鏈路傳輸誤差等問(wèn)題，因此本文中采用了一階、二階線性環(huán)節(jié)和延遲環(huán)節(jié)的組合來(lái)表達(dá)操作手對(duì)無(wú)人直升機(jī)的操縱。同時(shí)考慮不同操作手的差異，加入非線性、時(shí)變因素用以表征操作手的操縱差異，因此可在上述線性傳遞函數(shù)基礎(chǔ)上加入隨機(jī)噪聲，如圖1 所示建立擬線性控制模型來(lái)表征無(wú)人直升機(jī)操作手的模型[6]。

圖1 操作手?jǐn)M線性模型結(jié)構(gòu)圖

用傳遞函數(shù)形式表示操作手線性模型如式（3）所示：

式中，τ 為操作手完成目視后進(jìn)行操縱的反應(yīng)時(shí)間；T1為操作手進(jìn)行操縱動(dòng)作后飛行控制系統(tǒng)完成輸出的滯后時(shí)間；TN為由操縱控制機(jī)構(gòu)向無(wú)人直升機(jī)平臺(tái)傳輸操縱指令的鏈路時(shí)間；kp為操作手所使用的控制機(jī)構(gòu)與無(wú)人直升機(jī)控制變距間的換算關(guān)系；Tl為超前時(shí)間常數(shù)。

根據(jù)飛行數(shù)據(jù)分析，可選擇合適的參數(shù)τ、T1、TN、kp、Tl等值；并以n（t）表征白噪聲信號(hào)。

3.2 人-機(jī)-環(huán)境閉環(huán)仿真模型的構(gòu)建

面向無(wú)人直升機(jī)飛行的人-機(jī)-環(huán)境閉環(huán)仿真模型如圖2 所示。通過(guò)構(gòu)建虛擬的操作手模型并基于機(jī)體的飛行狀態(tài)的反饋構(gòu)造，從而建立人-機(jī)-環(huán)境閉環(huán)仿真模型。

圖2 面向低空操縱任務(wù)的人-機(jī)-環(huán)境閉環(huán)仿真模型

4 無(wú)人直升機(jī)操縱響應(yīng)類型

4.1 響應(yīng)類型

當(dāng)操作手需要利用直接鏈響應(yīng)類型或角速度響應(yīng)類型來(lái)得到俯仰軸和滾轉(zhuǎn)軸的穩(wěn)定控制狀態(tài)時(shí)，須在達(dá)到期望姿態(tài)角后，快速進(jìn)行必須反向操縱，以抵消原有無(wú)人直升機(jī)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，而這種控制方式在不良目視環(huán)境下難度較大，同時(shí)在部分山區(qū)丘陵等復(fù)雜環(huán)境低空飛行時(shí)，操作手需要兼顧水平方向和垂直方向，對(duì)于操作手的技術(shù)水平及經(jīng)驗(yàn)要求較高。為了克服該問(wèn)題，有人直升機(jī)飛行操縱品質(zhì)ADS-33E 中提出了在不良目視環(huán)境下要求滿足更高等級(jí)的響應(yīng)類型[7]。當(dāng)目視條件降級(jí)為一般目視環(huán)境時(shí)，響應(yīng)類型由角速度響應(yīng)變化為姿態(tài)響應(yīng)；當(dāng)目視條件繼續(xù)降級(jí)到不良目視環(huán)境，再由姿態(tài)響應(yīng)類型切換到位置或速度響應(yīng)類型。借鑒上述設(shè)計(jì)方案，面向無(wú)人直升機(jī)操縱也可設(shè)計(jì)相應(yīng)的響應(yīng)類型，將原有的槳距操縱變化為速度、位置指令操縱。為無(wú)人直升機(jī)操縱提供了更好的穩(wěn)定性，降低操作手的操縱負(fù)擔(dān)。

4.2 指令姿態(tài)響應(yīng)類型

針對(duì)旋翼控制律進(jìn)行模型跟隨設(shè)計(jì)，可滿足在不同飛行狀態(tài)下，自適應(yīng)優(yōu)化無(wú)人直升機(jī)操作手控制的響應(yīng)類型要求。對(duì)于俯仰和滾轉(zhuǎn)軸，使用指令姿態(tài)響應(yīng)類型，即直升機(jī)姿態(tài)跟隨操縱桿階躍輸入指令，指令模型的數(shù)學(xué)方程為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的二階環(huán)節(jié)。航向軸使用指令角速度響應(yīng)類型指令模型為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的一階環(huán)節(jié)。選擇合理的二階環(huán)節(jié)的阻尼比與自然頻率以滿足操縱帶寬準(zhǔn)則。參考有人直升機(jī)飛行品質(zhì)及部分無(wú)人直升機(jī)試飛數(shù)據(jù)，可以得到指令模型參數(shù)，見表1。

表1 指令姿態(tài)響應(yīng)類型設(shè)計(jì)參數(shù)

4.3 指令速度響應(yīng)類型

與指令姿態(tài)響應(yīng)類型相似，指令速度響應(yīng)類型操作手控制量對(duì)應(yīng)于無(wú)人直升機(jī)在機(jī)體坐標(biāo)系下的速度基準(zhǔn)指令。針對(duì)俯仰和滾轉(zhuǎn)軸，使用指令速度響應(yīng)類型，也可將其指令模型表征為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的二階環(huán)節(jié)。航向軸使用與上文類似的指令角速度響應(yīng)類型。與上文相同，需要選擇合理的二階環(huán)節(jié)的阻尼比與自然頻率以滿足操縱帶寬準(zhǔn)則?？傻玫街噶钏俣软憫?yīng)類型參數(shù)，見表2。

表2 指令速度響應(yīng)類型參數(shù)

操作手的每次操縱飛行控制系統(tǒng)會(huì)刷新無(wú)人直升機(jī)的速度控制指令，無(wú)人直升機(jī)飛行狀態(tài)會(huì)跟隨該指令，當(dāng)縱橫向操縱桿回中后，縱橫向速度指令為0，此時(shí)無(wú)人直升機(jī)應(yīng)處于懸停狀態(tài)。

4.4 指令位置響應(yīng)類型

指令位置響應(yīng)類型中操作手控制量對(duì)應(yīng)于無(wú)人直升機(jī)在機(jī)體坐標(biāo)系下的位置基準(zhǔn)指令，當(dāng)縱橫桿回中后，無(wú)人直升機(jī)位置指令為0，此時(shí)無(wú)人直升機(jī)應(yīng)處于位置保持模態(tài)。由于此操縱過(guò)程中桿指令對(duì)應(yīng)于無(wú)人直升機(jī)的位置基準(zhǔn)，與指令速度響應(yīng)類型相比，位置表征為速度的積分關(guān)系，角速度變化較慢。基于此動(dòng)力學(xué)關(guān)系，該操縱與前兩類響應(yīng)類型相比，快速性有所下降，為了彌補(bǔ)其快速性，此指令模型表征為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的一階環(huán)節(jié)。航向軸使用與上文類似的指令角速度響應(yīng)類型。針對(duì)指令位置響應(yīng)類型，需要選擇時(shí)間常數(shù)提升操縱帶寬，加快閉環(huán)系統(tǒng)的快速性，因此可得到指令位置響應(yīng)類型參數(shù)，見表3。

表3 指令位置響應(yīng)類型參數(shù)

指令位置響應(yīng)類型在一些較為惡劣的環(huán)境中，操作手可以關(guān)注于無(wú)人直升機(jī)總距方向的控制，而在水平方向上，無(wú)人直升機(jī)可根據(jù)操作手的指令，保持較好的位置保持控制精度。然而該響應(yīng)類型的反饋信號(hào)由于是無(wú)人直升機(jī)的位置信號(hào)，因此其快速性有所下降，需要在操縱中避免過(guò)分劇烈的操縱。

4.5 3 類響應(yīng)類型的組合

針對(duì)無(wú)人直升機(jī)低空飛行任務(wù)場(chǎng)景特點(diǎn)，可有效結(jié)合3 類響應(yīng)類型，將其應(yīng)用于低空無(wú)人直升機(jī)飛行操縱中，在控制律算法設(shè)計(jì)中可通過(guò)應(yīng)用限幅環(huán)節(jié)及插值表環(huán)節(jié)等方式實(shí)現(xiàn)對(duì)幾類響應(yīng)類型的轉(zhuǎn)換，避免無(wú)人直升機(jī)出現(xiàn)較大瞬態(tài)。當(dāng)?shù)厮俅笥?.0 m/s 時(shí)，采用指令姿態(tài)響應(yīng)類型，隨著地速的減小，當(dāng)其小于7.0 m/s，大于3.0 m/s 時(shí)，將采用指令速度響應(yīng)類型，當(dāng)?shù)厮傩∮?.0 m/s 時(shí)，采用指令位置響應(yīng)類型。通過(guò)綜合3 類響應(yīng)類型，實(shí)現(xiàn)大速度下的快速控制響應(yīng)，小速度下的精確穩(wěn)定控制，從而減輕無(wú)人直升機(jī)操作手的操縱負(fù)荷。

5 仿真結(jié)果

模擬3 級(jí)風(fēng)擾條件，分別選用指令速度響應(yīng)類型、指令位置響應(yīng)類型2 種響應(yīng)類型，進(jìn)行具有風(fēng)擾狀況的人工著陸的回路仿真，仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 風(fēng)擾狀況的人工著陸回路仿真圖

根據(jù)仿真結(jié)果可知，采用指令位置響應(yīng)類型時(shí)，無(wú)人直升機(jī)著陸過(guò)程中，落點(diǎn)均可滿足精度要求；而采用指令速度響應(yīng)類型時(shí)，個(gè)別落點(diǎn)難以滿足精度要求，但滿足要求的落點(diǎn)也幾乎在96%以上。

根據(jù)操作手參與仿真過(guò)程的體驗(yàn)，當(dāng)采用指令位置響應(yīng)類型、指令速度響應(yīng)類型時(shí)，其控制操縱桿的全過(guò)程只需要置于0 位，就可將注意力集中于無(wú)人直升機(jī)的垂直方向。

6 結(jié)論

本文通過(guò)分析與研究無(wú)人直升機(jī)操縱模型、操作手模型以及外部環(huán)境模型，綜合分析研究了無(wú)人直升機(jī)操縱指令類型，并在上述基礎(chǔ)上，構(gòu)建了無(wú)人直升機(jī)人-機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)模型，面向無(wú)人直升機(jī)低空著陸任務(wù)場(chǎng)景，完成考慮操作手操縱的全系統(tǒng)閉環(huán)仿真，同時(shí)，結(jié)合無(wú)人直升機(jī)自動(dòng)著陸場(chǎng)景對(duì)比了不同響應(yīng)類型下的任務(wù)效能。

上述仿真結(jié)果表明，對(duì)比于常用的無(wú)人直升機(jī)直接鏈響應(yīng)類型，采用指令位置或指令速度響應(yīng)類型，可有效提升無(wú)人直升機(jī)著陸過(guò)程中操作手的控制精度，大幅減少無(wú)人直升機(jī)操作手操縱負(fù)擔(dān)，并對(duì)后續(xù)工程應(yīng)用有較大的指導(dǎo)意義。