李逸群

概述

直升機(jī)是人類(lèi)歷史上研究最成功的仿生機(jī)械之一，具有垂直起降、懸停、側(cè)飛及對(duì)場(chǎng)地要求不高等優(yōu)點(diǎn)，隨著對(duì)現(xiàn)代直升機(jī)飛行品質(zhì)和任務(wù)效能要求的日臻提高，無(wú)人直升機(jī)飛行控制技術(shù)也越來(lái)越得到重視。區(qū)域?qū)Ш绞侵冈试S在確立的點(diǎn)之間的任何直接航路上進(jìn)行電子的航向引導(dǎo)。區(qū)域?qū)Ш皆O(shè)備通過(guò)自動(dòng)確定直升機(jī)位置、建立期望的飛行航跡以及向下一航路點(diǎn)飛行提供航跡引導(dǎo)來(lái)運(yùn)作的導(dǎo)航方式，有著傳統(tǒng)導(dǎo)航?jīng)]有的很多優(yōu)點(diǎn)。

自動(dòng)區(qū)域?qū)Ш绞菬o(wú)人直升機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航功能實(shí)現(xiàn)中的一環(huán)。當(dāng)無(wú)人直升機(jī)受到外界干擾偏離航線(xiàn)情況下，結(jié)合航向引導(dǎo)信號(hào)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)區(qū)域?qū)Ш斤w行，重新返回航線(xiàn)。該功能綜合慣性導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時(shí)解算的側(cè)偏距、偏航角與地速數(shù)據(jù)生成航向?qū)б盘?hào)，通過(guò)控制律設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)直升機(jī)對(duì)現(xiàn)有航線(xiàn)的跟蹤飛行。自動(dòng)區(qū)域?qū)Ш骄哂泻骄€(xiàn)編排靈活的特點(diǎn)，通常在高空大速度沿航向穩(wěn)定飛行時(shí)使用該功能。

無(wú)人直升機(jī)若在平飛過(guò)程中受到外界擾動(dòng)等因素的影響將產(chǎn)生相對(duì)于飛行航線(xiàn)的側(cè)向偏離，觸發(fā)自動(dòng)區(qū)域?qū)Ш?，此時(shí)飛控系統(tǒng)一般通過(guò)橫向駕駛信號(hào)對(duì)直升機(jī)的航向自動(dòng)修正以減小偏差，保證直升機(jī)沿著現(xiàn)有航線(xiàn)飛行。該功能主要通過(guò)橫滾軸和航向軸的控制實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)自動(dòng)區(qū)域?qū)Ш綍r(shí)，充分考慮自動(dòng)區(qū)域?qū)Ш绞褂玫谋尘?，?shí)現(xiàn)盡快切入航線(xiàn)，以最短時(shí)間完成飛行計(jì)劃，因此在最近航段判斷、航路點(diǎn)信息發(fā)送等內(nèi)容與航電系統(tǒng)復(fù)雜交聯(lián)。本文完整描述自動(dòng)區(qū)域?qū)Ш降脑O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方式。

自動(dòng)區(qū)域?qū)Ш皆O(shè)計(jì)

自動(dòng)區(qū)域?qū)Ш焦δ苁峭ㄟ^(guò)導(dǎo)航系統(tǒng)和飛控系統(tǒng)共同實(shí)現(xiàn)的。設(shè)計(jì)自動(dòng)區(qū)域?qū)Ш綍r(shí)，要充分考慮自動(dòng)區(qū)域?qū)Ш绞褂玫谋尘?。要盡快切入航段，以最短時(shí)間完成飛行計(jì)劃的航行，因此選取最近航段是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。自動(dòng)區(qū)域?qū)Ш酵ㄟ^(guò)協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)橫向駕駛信號(hào)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定精確的跟蹤。

最近航段判斷邏輯

激活一條飛行航線(xiàn)，若航路點(diǎn)有25個(gè)點(diǎn)，則有24個(gè)航段。在無(wú)人直升機(jī)受到外界干擾偏離當(dāng)前航線(xiàn)時(shí)，飛控機(jī)根據(jù)當(dāng)前位置來(lái)判斷目前直升機(jī)離當(dāng)前激活飛行計(jì)劃中的哪個(gè)航段最近。在具體設(shè)計(jì)中通過(guò)比較偏航距判斷最近航段，同時(shí)只對(duì)偏航距在航段之內(nèi)或在航段的順向延長(zhǎng)線(xiàn)位置的航段進(jìn)行偏航距的比較。下面給出這兩種最近航段判斷方法。

（1）判斷偏航距在航段之內(nèi)

控制律設(shè)計(jì)原則

自動(dòng)區(qū)域?qū)Ш娇梢龑?dǎo)無(wú)人直升機(jī)進(jìn)行現(xiàn)有航線(xiàn)的跟蹤飛行，該功能主要通過(guò)橫滾軸和航向軸的控制實(shí)現(xiàn)[5]。俯仰通道并非該功能實(shí)現(xiàn)的決定性因素，因此在接通自動(dòng)區(qū)域?qū)Ш胶?，俯仰通道控制律設(shè)計(jì)為俯仰保持功能，保持接通瞬間俯仰姿態(tài)、速度等飛行狀態(tài)。在傾斜通道設(shè)計(jì)中，將計(jì)算得到的橫向駕駛信號(hào)作為傾斜通道的參考指令，通過(guò)控制律設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)橫向駕駛信號(hào)的跟隨。偏航通道設(shè)計(jì)依照協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎邏輯，保證滾轉(zhuǎn)與偏航運(yùn)動(dòng)耦合影響最小，使得飛行側(cè)滑加速度為零。由側(cè)向加速度和滾轉(zhuǎn)角信息計(jì)算得到偏航角給定值作為偏航通道的參考指令，再通過(guò)控制律實(shí)現(xiàn)對(duì)參考指令的跟蹤。

自動(dòng)區(qū)域?qū)Ш浇油鞒?/p>

第一步：通過(guò)顯示系統(tǒng)裝訂飛行計(jì)劃（包括航路點(diǎn)和航段信息），并激活飛行計(jì)劃；

第二步：當(dāng)無(wú)人直升機(jī)偏離飛行計(jì)劃航線(xiàn)時(shí)，飛控機(jī)根據(jù)直升機(jī)當(dāng)前的即時(shí)位置來(lái)判斷目前直升機(jī)距離最近的航段，發(fā)出離最近航段的從點(diǎn)、到點(diǎn)及下一點(diǎn)給組合導(dǎo)航系統(tǒng)，該航段將作為自動(dòng)區(qū)域?qū)Ш礁櫟哪繕?biāo)航段；

第三步：組合導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)接收到的從點(diǎn)、到點(diǎn)計(jì)算出偏航距和偏航角（直升機(jī)當(dāng)前航向與當(dāng)前航段的夾角，偏航角范圍為0°～360°）和橫向駕駛信號(hào)；

第四步：飛控機(jī)接受偏航距和偏航角和橫向駕駛信號(hào)；

第五步：橫向駕駛有效信號(hào)輸出——組合導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)偏航距和偏航角判斷橫向駕駛信號(hào)有效性，當(dāng)滿(mǎn)足偏航距在一定距離內(nèi)，且當(dāng)前航向和預(yù)定航向的夾角小于90°的條件時(shí)，認(rèn)為橫向駕駛信號(hào)有效，組合導(dǎo)航系統(tǒng)將輸出至飛控機(jī)的橫向駕駛信號(hào)指示有效；

第六步：在橫向駕駛信號(hào)指示有效情況下，飛控自動(dòng)區(qū)域?qū)Ш接|發(fā)，直升機(jī)進(jìn)入自動(dòng)區(qū)域?qū)Ш綘顟B(tài)；

第七步：若橫向駕駛信號(hào)無(wú)效，飛控自動(dòng)區(qū)域?qū)Ш教幱诖|發(fā)狀態(tài)，顯示器頁(yè)面提示接通條件不具備，自動(dòng)區(qū)域?qū)Ш教幵陬A(yù)備位；

第八步：此時(shí)無(wú)人直升機(jī)朝現(xiàn)有航路點(diǎn)信息指引航段飛行，當(dāng)偏航距達(dá)到一定距離內(nèi)，且當(dāng)前航向和預(yù)定航向的夾角小于90°時(shí)，將橫向駕駛有效信號(hào)置為有效并發(fā)送給飛控機(jī)；

第九步：飛控自動(dòng)區(qū)域?qū)Ш接|發(fā)，直升機(jī)進(jìn)入自動(dòng)區(qū)域?qū)Ш綘顟B(tài)；

第十步：進(jìn)入自動(dòng)區(qū)域?qū)Ш綘顟B(tài)后，通過(guò)控制律解算跟蹤目標(biāo)航段，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)沿航線(xiàn)飛行。

總結(jié)與展望

自動(dòng)區(qū)域?qū)Ш匠浞职l(fā)揮直升機(jī)的橫側(cè)向的機(jī)動(dòng)能力，可以減少外界干擾對(duì)飛行計(jì)劃的影響，實(shí)現(xiàn)無(wú)需操作員干預(yù)的條件下自動(dòng)駕駛無(wú)人直升機(jī)快速跟蹤航線(xiàn)的目標(biāo)，大大減小了操作員的負(fù)擔(dān)。本文對(duì)自動(dòng)區(qū)域?qū)Ш焦δ艿膶?shí)現(xiàn)從航電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、飛行控制律設(shè)計(jì)、實(shí)際使用中的接通流程幾方面進(jìn)行闡述，但在實(shí)際功能使用中仍然存在航段切入慢，航向擺動(dòng)、控制精度低，航線(xiàn)非最優(yōu)等問(wèn)題。相信隨著故障問(wèn)題的解決和研究的深入，自動(dòng)區(qū)域?qū)Ш侥軌虿粩嗤晟?，成為無(wú)人直升機(jī)控制中一種安全可靠的自動(dòng)飛行模態(tài)。