無人直升機控制系統(tǒng)探索

梁霄

【摘 要】無人直升機飛行距離遠，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。控制系統(tǒng)是無人機的核心，先進飛機的控制技術是實現(xiàn)自主控制的最主要的支撐技術之一。本文對無人直升機的控制系統(tǒng)的構成及工作過程進行了概括介紹，對無人機控制系統(tǒng)整體設計思路進行了探索。

【關鍵詞】無人直升機；飛行控制；系統(tǒng)

1.前言

無人駕駛飛機（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，無人機在偵察、監(jiān)視、目標獲取、目標指示、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]。而無人直升機飛行距離遠，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。無人駕駛直升機的性能在很大程度上取決于它的飛行控制系統(tǒng)設計，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)可操縱性和可維護性，以及人機接口任務設置的友好性等[2]。總之，無論軍用或民用都要求無人直升機具有高的飛行準確性、安全可靠性和系統(tǒng)可監(jiān)控性。控制系統(tǒng)是無人機的核心。無人機要完成自主飛行，需要控制系統(tǒng)對內回路（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，飛機的控制技術是實現(xiàn)自主控制的最主要的支撐技術之一[3]。

2.系統(tǒng)構成

無人機通常分為遙控型、自主型及遙控—自主復合型。由于無人直升機是非線性、強耦合、多變量的不穩(wěn)定系統(tǒng)，完全的自主飛行控制系統(tǒng)的設計較為復雜，且無人直升機飛行的高度較低，因此一般采用遙控—自主復合型控制。考慮到無人直升機一般為微小型成本低的無人機，因此在設計飛機的性能指標時，應考慮如下因素：

1）直升機穩(wěn)定性差、不易控制，具有多變量、非線性交耦和柔性結構的動力學特性，而且對直升機動力學特性的建模難度較大，尤其不易準確建立六自由度考慮非線性、交耦的動力學模型。這對飛行控制系統(tǒng)設計帶來一定難度。

2）無人直升機的飛行環(huán)境惡劣，要求有強的抗風擾動能力和準確的飛行控制。

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

4）要求精確的軌跡自主控制（包括導航控制飛行）能力。

機上部分：包含無線電傳輸部分、舵機系統(tǒng)、飛控計算機、目標任務控制計算機、GPS導航設備、三軸姿態(tài)傳感器以及必要的大氣數(shù)據傳感器等。

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

3.系統(tǒng)功能實現(xiàn)

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

3.1準備起飛階段待機功能

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

3.2垂直起降功能

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

3.3高度保持

無人直升機自主飛行的過程中，飛機狀態(tài)的穩(wěn)定是一個主要的問題。地面監(jiān)控設備可以監(jiān)控無人直升機的飛行狀態(tài)，以便在特殊狀態(tài)下干預飛機的飛行。干預過后可以遙控飛機返航，或者使飛機回復某一過渡狀態(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)。（當然也可以選定其他飛行階段）。

3.4調整姿態(tài)航向（軌跡控制）功能

在這一個功能下，飛控計算機綜合導航系統(tǒng)的信息，發(fā)出信號給執(zhí)行機構，更改飛機姿態(tài)，調整（修正）航跡。軌跡控制可以使飛機沿著預定的軌跡飛向任務目標，修正偏差，以實現(xiàn)精確制導控制。

3.5姿態(tài)穩(wěn)定功能

無人機在執(zhí)行目標任務時，無論目標任務是偵查還是攻擊，無人機狀態(tài)的穩(wěn)定都影響任務完成的效果。因此無人直升機應該具有保持飛機飛行姿態(tài)穩(wěn)定的功能。

3.6無線電遙控功能

直升機是非線性、強耦合、多變量的不穩(wěn)定系統(tǒng)，因此直升機的飛行控制也是非常復雜的。對于自主飛行的無人直升機，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，使其能夠安全返航。在這個功能模塊，地面監(jiān)控系統(tǒng)根據無人直升機傳回的飛機飛行狀態(tài)情況判斷飛機飛行是否正常，在飛機飛行出現(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)遙控飛機來保證飛機的飛行安全。另外，整個無人直升機的控制系統(tǒng)還應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）、導航系統(tǒng)（飛機的方位信號，飛機的航跡偏差等信號）、無線電系統(tǒng)（遙控指令信號等）、任務控制電路（載荷的目標任務完成情況）、飛控計算機（飛機當前狀態(tài)）的信號，綜合處理后得到適當?shù)男盘杹戆l(fā)送給飛控計算機。這個模塊的功能就是模擬有人直升機的駕駛員，在一定條件（如飛機到達一定高度等）下觸發(fā)一定的程序來發(fā)出信號給飛控計算機，使飛機在各個功能之間轉換，實現(xiàn)飛機飛行控制的自主化，同時還擔當著信號轉換的作用，協(xié)調各種形式的信號；

2）目標任務控制電路模塊用來控制任務載荷在適當?shù)臅r候來執(zhí)行預定任務。綜合來自導航系統(tǒng)（任務目標方位確定）、無線電系統(tǒng)（地面任務指令）、飛控計算機（飛機飛行姿態(tài)狀況）的信號，通過處理后發(fā)出信號給任務載荷（如偵察設備等）來執(zhí)行適合任務，并接收任務完成情況的信息傳遞給決策電路。將無人直升機的控制系統(tǒng)分為以上的幾個功能模塊，就可以借鑒有人直升機的飛行控制系統(tǒng)設計經驗，設計各個功能模塊的控制律，并對控制律進行相應的優(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控制系統(tǒng)設計工作的復雜性，節(jié)約了時間。

4.結束語

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

【參考文獻】

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

[2]嚴平，陳穎，陳曦.無人機飛行安全控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制.2017.15（7），1671-4598.

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