無人機飛行操縱品質(zhì)評價準(zhǔn)則之探討

劉成肖

摘要：近年來，無人機技術(shù)迅速發(fā)展，相比之下，無人機飛行品質(zhì)的研究卻相對滯后。尤其是對無人機操縱品質(zhì)的評估，目前為止并沒有較為成熟的準(zhǔn)則。本文試圖從縱向、橫向兩個角度分析有人飛機飛行品質(zhì)評估準(zhǔn)則對于無人機飛行操縱品質(zhì)評估的適用性，對無人機飛行操縱品質(zhì)的評價準(zhǔn)則進行探討，并加以分析，以期對無人機飛行操縱品質(zhì)評估提供借鑒。

關(guān)鍵詞：無人機;操縱品質(zhì);評定準(zhǔn)則;適用性

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）19-0247-03

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在無人機迅速發(fā)展的背景下，其構(gòu)型、飛控、算法等技術(shù)逐漸成熟，但與無人機的“硬要求”飛速發(fā)展形成鮮明對比的是無人機飛行質(zhì)量的研究工作滯后。有觀點認為由于目前無人機偏向于其實用性與操作性，且無人機主要是依靠飛控系統(tǒng)自主或者自動執(zhí)行任務(wù)，飛行員僅扮演監(jiān)控角色（必要時干預(yù)），并未直接參與飛機的控制，因此不存在飛行品質(zhì)的問題。但是無人機作為一種特殊的飛行器，仍具備了飛行器的基本特征，飛行安全、完成任務(wù)質(zhì)量的評估等問題均屬于飛行品質(zhì)研究的范疇。

無人機飛行品質(zhì)規(guī)范是設(shè)計飛機，包括飛行控制系統(tǒng)的依據(jù)和基礎(chǔ)之一。[1]良好的飛行品質(zhì)規(guī)范能夠使無人機的設(shè)計和制造事半功倍。然而，與無人機技術(shù)發(fā)展的熱潮相比，其飛行品質(zhì)方面研究相對較少。本文從發(fā)展相對成熟的有人飛機飛行品質(zhì)評估準(zhǔn)則作為出發(fā)點，就其是否適合在無人機上應(yīng)用開展了些許探討和分析。

1 無人機飛行操縱品質(zhì)

飛行品質(zhì)是衡量飛機完成特定飛行任務(wù)的精確度及駕駛員工作負荷的尺度，對于無人機而言，一種是自主式作業(yè)，另一種是遙控式作業(yè)。就這兩種形式的無人機而言，研究“駕駛員工作負荷尺度”意義不大，但是飛行任務(wù)的精確性對于無人機而言卻有著重大意義，對于遙控式無人機，在人為操縱的狀態(tài)下進行作業(yè)，就其操縱品質(zhì)是否符合任務(wù)要求，需要一定的評價準(zhǔn)則和標(biāo)準(zhǔn)進行評估，這也充分說明了研究無人機飛行品質(zhì)中操縱品質(zhì)的重要性。

從主觀評估角度而言，有人機使用的評價尺度是Cooper和Harper制定的C-H評價尺度[10]，并劃分為10個等級，但其都是圍繞駕駛員來進行評定的，根據(jù)無人機的特點修改，可適用于無人機，具體如表1所示。

無人機即利用飛控系統(tǒng)實現(xiàn)自主飛行，即通過飛行控制裝置控制無人機按設(shè)定好的航跡飛行，并保證姿態(tài)的穩(wěn)定，其通過傳感器、陀螺儀等感受無人機機的航跡、姿態(tài)等信息，駕駛員（操縱員）不直接參與飛機的操縱; 而有人機則是通過駕駛員來控制。駕駛員安全舒適地駕駛飛機，且能在整個飛行包線內(nèi)較好的完成飛行任務(wù)時所呈現(xiàn)的特性，稱為飛機的飛行品質(zhì)[2]，這就導(dǎo)致了其構(gòu)成的人——機閉環(huán)系統(tǒng)的重心是駕駛員，故而有人機的飛行品質(zhì)評定準(zhǔn)則不能照搬到無人機上進行應(yīng)用。下面從縱向和橫向兩個方面，通過對有人機飛行品質(zhì)評估準(zhǔn)則的分析，探討在無人機上應(yīng)用的可行性。

2 飛行操縱品質(zhì)的評價原理與方法

2.1 飛行操縱品質(zhì)原理

無人機的誕生可追溯到20世紀(jì)初，初衷是軍用，但在21世紀(jì)得到了迅速發(fā)展與推廣，尤其近年來在我國，無人機早已“飛入尋常百姓家”，在其迅速發(fā)展的背后，監(jiān)管、規(guī)范的缺失與不足日益顯現(xiàn)，為確保飛機能安全、高效的飛行，故而在飛機的操縱系統(tǒng)、試飛過程中必須遵循相關(guān)權(quán)威部門頒發(fā)的規(guī)定性文件，這就是飛機飛行品質(zhì)規(guī)范。就有人機而言，通過大量的飛行經(jīng)驗總結(jié)，制定出一套對飛機飛行品質(zhì)評估的準(zhǔn)則和要求，并以此來衡量大多數(shù)飛機的飛行品質(zhì)，具有普遍性和共性[3]。在航空發(fā)達的國家（如英、美等）都投入了大量的人力、物力、財力進行飛行品質(zhì)的研究，最具成效的當(dāng)屬美國，其先后頒布了 AAF- C-1815、 USAF-1815- B、 MIL- STD-1797等規(guī)范飛機的飛行品質(zhì)規(guī)范， 鑒此為世界各國參考、引用。

滿意的 極好，很理想 在存在一定程度干擾或者天氣情況不十分理想時，系統(tǒng)均能得到期望的性能 1級 優(yōu)，好用 存在一定程度干擾，系統(tǒng)可以得到期望性能 2級 良，但抗干擾能力較弱 存在一定程度擾動時，系統(tǒng)勉強能得到期望的性能 3級 不滿意的 有些不好 無擾動、外界調(diào)節(jié)良好時，系統(tǒng)可以得到期望性能， 4級 比較不好 無擾動、外界條件良好時，系統(tǒng)也能得到適度的性能 5級 非常不好，但可以容忍 無擾動時，系統(tǒng)勉強可以得到適度的性能 6級 不可接受的 勉勉強強執(zhí)行任務(wù) 存在一定程度擾動時，勉強可執(zhí)行任務(wù) 7級 無人機不可操縱 有嚴(yán)重缺陷 無法完成飛行任務(wù) 8級 ]

2.2 低階等效方法

所謂低階等效系統(tǒng)[4]是指，高階增穩(wěn)系統(tǒng)的低階等效系統(tǒng)在相同的初始條件下且外界刺激一樣，在相當(dāng)頻域內(nèi)或時間段內(nèi)，在對應(yīng)指標(biāo)下輸出量的差值最小，則稱此低階系統(tǒng)是高階系統(tǒng)的低階等效系統(tǒng)[5]。MIL- STD-1797中規(guī)定，在進行等效擬配時，要求對俯仰角速率和法向過載同時開展擬配，將駕駛員對桿的操作情況作為輸入量。

低階等效系統(tǒng)的失配邊界是駕駛員對不能察覺到的最大額外動態(tài)響應(yīng)的異差反應(yīng)，若將其方法應(yīng)用到無人機系統(tǒng)中，失配邊界則需要根據(jù)無人機的系統(tǒng)轉(zhuǎn)角頻率、指令響應(yīng)等特性進行重新定義，此時，有人機該系統(tǒng)的低階等效傳遞函數(shù)[10]也不再適用，此方法也就失去了意義，故此方法不建議運用到無人機飛行品質(zhì)的評估。

3 無人機飛行品質(zhì)的評定準(zhǔn)則初探

3.1 縱向飛行品質(zhì)

3.1.1 CAP準(zhǔn)則

CAP（Control Anticipation parameter ）——操縱期望參數(shù)定義為：

[CAP=?δzt=0（Δny/δz）t=∞=?0Δnyss（1s2g）=MFS·FNyZ? ? ? ? ? ? ? ? （1）]

即飛機初始的俯仰角加速度與穩(wěn)態(tài)過載之間的比值，操縱期望參數(shù)CAP等于單位桿力所產(chǎn)生的初始俯仰角加速度[MFS]（即桿力靈敏度）與穩(wěn)態(tài)機動飛行時，產(chǎn)生單位過載所需桿力[FNYZ]（即單位過載桿力）之積[6]。由此可見，操縱期望參數(shù)與駕駛員操縱感覺有著密切聯(lián)系。

由于飛行員在空中對俯仰加速度十分敏感 ，當(dāng)飛行員感受到飛機過載變化時，通過控制飛行軌跡進行調(diào)整，這就要求飛機過載與俯仰姿態(tài)加速度之間的動態(tài)必須在人體感受能力之內(nèi)。

由于CAP準(zhǔn)則要求飛行員在空中對飛機運動的感知，且與桿力靈敏度[MFS]、單位過載所需桿力[FNYZ]密切相關(guān)，而無人機系統(tǒng)并不存在這兩者，而是依靠傳感器、陀螺儀等進行姿態(tài)感知，若要將該準(zhǔn)則運用到無人機系統(tǒng)，本文建議在無人機系統(tǒng)設(shè)計階段就將CAP準(zhǔn)則考慮在內(nèi)，優(yōu)化傳感器及飛控程序，進而可按照CAP準(zhǔn)則來評定其飛行品質(zhì)。

3.1.2 帶寬準(zhǔn)則

帶寬準(zhǔn)則是由規(guī)定的開環(huán)系統(tǒng)帶寬及時間延遲[τp]的相互關(guān)系定義的[6]。它是俯仰姿態(tài)對駕駛員操縱力（對應(yīng)力操縱系統(tǒng)）或操縱位移（對應(yīng)位移操縱系統(tǒng)）的開環(huán)頻響中，相位裕度等于大于45°或增益裕度等于大于6dB所對應(yīng)頻率中的較小者[7]。時間延遲[τp]由下式定義：

[τp=-（φ2ω180+180?）/（57.3×2ω180）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）]

式中，[ω180]是相位等于-180°時的頻率;[φ2ω180]時2倍[ω180]頻率處的相角。

依據(jù)上述定義，首先從相頻特性曲圖（圖2）線上確定等于-180的頻率[ω180]，然后找到相位裕度為45°，即相角等于-135時的時的頻率[ω135]，該頻率即定義為相頻頻寬[ωBP]，然后找到[ω180]所對應(yīng)的幅值，在此基礎(chǔ)上增加6dB，從而求得幅值寬[ωBw]，帶寬即為[ωBP]與[ωBw]中較小者。其次，從圖中求得[2ω180]時的相角[φ2ω180]，并利用[τp]的計算公式求得延遲時間[τp]，依據(jù)求得的帶寬及[τp]即可判斷系統(tǒng)的飛行品質(zhì)等級，如圖3所示。

采用這種標(biāo)準(zhǔn)的好處是，它的適應(yīng)能力比較強，它可以直接用于具有非常規(guī)模飛機的飛行品質(zhì)評定，由于此準(zhǔn)則不是基于人-機的閉環(huán)系統(tǒng)，且適用性較好，故而帶寬準(zhǔn)則可以適用于無人機飛行品質(zhì)評定。但也并非可以照搬，還需尋找無人機-傳感器系統(tǒng)的邊界，也就是最大帶寬，以保證無人機系統(tǒng)可以在此范圍內(nèi)準(zhǔn)確、安全地作業(yè)。

3.2 橫向飛行品質(zhì)

無人機的橫向運動也存在一定穩(wěn)定性和操縱性問題，是對無人機繞縱向?qū)ΨQ平面內(nèi)兩個正交軸的轉(zhuǎn)動[7]，以及沿縱向?qū)ΨQ平面垂直軸移動的研究。由于相應(yīng)的氣動力及氣動力距變化復(fù)雜，所以對無人機橫向飛行品質(zhì)準(zhǔn)則的探討較縱向而言相對復(fù)雜些。

在STD-F-1797規(guī)范中，飛行品質(zhì)分為滾轉(zhuǎn)軸的飛行品質(zhì)和航向軸的飛行品質(zhì)[8]，下面以STD-F-1797中的評價準(zhǔn)則為例，探討其在無人機上的適用性。

3.2.1 滾轉(zhuǎn)軸的飛行品質(zhì)評價準(zhǔn)則

對滾轉(zhuǎn)軸飛行品質(zhì)的要求包含多個方面，其中最重要的動態(tài)特性要求是滾轉(zhuǎn)操縱時的滾轉(zhuǎn)響應(yīng)，由滾轉(zhuǎn)模態(tài)時間常數(shù)[TR]、螺旋模態(tài)的穩(wěn)定性、滾轉(zhuǎn)-螺旋耦合震蕩、其他要求等決定。

等效滾轉(zhuǎn)模態(tài)時間常數(shù)[TR]是用來描述飛機的滾轉(zhuǎn)阻尼特性，數(shù)據(jù)表明，駕駛員的評分是滾轉(zhuǎn)阻尼函數(shù)，滾轉(zhuǎn)阻尼就可用一階滾轉(zhuǎn)模態(tài)時間常數(shù)[TR]來表示[9]。所以，根據(jù)飛機類型、不同飛行階段給出了滾轉(zhuǎn)時間常數(shù)最大建議值，而后根據(jù)駕駛員評分與[TR]之間的關(guān)系進行評價。螺旋模態(tài)是在滾轉(zhuǎn)受外界干擾時，飛機產(chǎn)生的航向的變化及緩慢的滾轉(zhuǎn)，利用螺旋模態(tài)的時間常數(shù)[TS]及等效系統(tǒng)來評定。

3.2.2 航向軸的飛行品質(zhì)評價準(zhǔn)則

航向方面的飛行品質(zhì)要求，主要有航向動態(tài)相應(yīng)、航向軸對滾轉(zhuǎn)操作的相應(yīng)等。飛機對航向輸入所產(chǎn)生的滾轉(zhuǎn)震蕩響應(yīng)特性與航向，主要用荷蘭滾模態(tài)的阻尼比[ξd]及自然頻率[ωd]以及[ξd·ωd]的乘積來表示。在進行滾轉(zhuǎn)操作時需要留有足夠的航向裕度來進行所需的進入、退出協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎。起碼對于飛行操縱員來說是可操作的，換言之，即在飛機進行滾轉(zhuǎn)操縱時，以側(cè)滑角作為參考其數(shù)值即為可操縱裕度的度量， 或者直接規(guī)定協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎時腳蹬的需求量。

綜上兩個軸的飛行品質(zhì)都與飛行員的主觀評定、橫桿和腳蹬輸入量密切相關(guān)，且評價參數(shù)也不適用無人機，由于無人機的橫向狀態(tài)量包含滾轉(zhuǎn)速率、偏航速率、側(cè)滑角、滾轉(zhuǎn)角，利用這些狀態(tài)量建立無人機橫向動力學(xué)特征方程，故而飛機橫向飛行品質(zhì)評價準(zhǔn)則可在無人機上運用的方面較少，而無人機橫向具體評價準(zhǔn)則還需進一步研究和探討。

4 結(jié)束語

隨著無人機產(chǎn)業(yè)的興起，無人機的發(fā)展日益迅速，在其迅速發(fā)展的背景下，對無人機飛行品質(zhì)的研究相對落后，至今仍沒有一套完整的針對無人機的飛行品質(zhì)評估準(zhǔn)則，因此對無人機飛行品質(zhì)的研究愈發(fā)重要。本文依據(jù)飛機飛行品質(zhì)評估準(zhǔn)則，探討其在無人機上運用的實用性與可行性并給出使用建議，對無人機飛行品質(zhì)評估準(zhǔn)則的研究有一定參考意義。

參考文獻：

[1]戴寧，楊暉.無人機飛行品質(zhì)規(guī)范淺析[J].飛行力學(xué)，2005（4）：13-15，19.

[2]李進濤. 飛翼式高空長航時無人機飛行品質(zhì)特性研究[D].西北工業(yè)大學(xué)，2007.

[3]朱書峰. 微型飛機設(shè)計相關(guān)技術(shù)關(guān)鍵問題的研究與探討[D].西北工業(yè)大學(xué)，2005.

[4]趙建偉，周洲，鄒定玉，龔喜盈.復(fù)雜系統(tǒng)飛機飛行品質(zhì)等效方法研究[J].計算機仿真，2006（12）：70-73.

[5]聶瑞，章衛(wèi)國，李廣文，劉小雄.基于改進的NSGA-Ⅱ算法的飛機等效擬配[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011，29（01）：27-33.

[6]王鋒，祁圣君，張喆.幾種典型飛行品質(zhì)對無人機的適用性研究[J].飛行力學(xué)，2013，31（05）：389-393.

[7]馬璐. 無人機地面遙控遙測系統(tǒng)研究[D].南昌航空大學(xué)，2013.

[8]楊俊，張永，肖艷平.飛機飛行品質(zhì)規(guī)范及評價準(zhǔn)則[J].中國科技信息，2017（08）：16-17.

[9]華玉光，徐浩軍，葛志浩.某型飛機橫航向飛行品質(zhì)研究[J].飛行力學(xué)，2005（03）：21-24.

[10]潘文俊，樊戰(zhàn)旗，王敏文，孫遜.無人機飛行品質(zhì)評定準(zhǔn)則探討[J].飛行力學(xué)，2016，34（01）：6-9.

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