適用于察打一體的固定翼飛機的矢量控制系統

鄭建樂 張保澤 裴榮紅 李冀幸 張騫月

摘 要：在現階段無人機技術十分成熟，但是仍有些限制性因素得不到解決，本文就介紹了一種適用于對地偵查與打擊項目的矢量電機控制系統及其設計原理、制作工藝；及其與傳統前拉式飛機和雙發動機差速轉向飛機相比的優勢以及發展前景與實際應用。使用這種系統完全代替飛機的方向舵，利用矢量轉向代替方向舵轉向，起到飛機平飛轉向的目的，同時避免了方向舵轉向時飛機發生側滾的現象，而且轉向效率比相同情況下使用方向舵提高了45%左右。

關鍵詞：矢量控制；對地偵察與打擊；方向舵；擾動阻力

無人機是一種由編碼程序代替人工控制或者由無線電遙控來控制飛行的飛行器。上個世紀30年代最早出現，但是由于受到科技水平、制造水平、控制系統、材料等一系列的限制性因素的限制作用，無人機并沒有被廣泛的研究和應用。但隨著科學技術不斷地進步與革新，包括材料、集成電路、空氣動力學、工程力學以及制造業的發展，無人機因其獨特的優勢也被逐漸的重視起來。而在現階段，人工智能和無人機的協作是現代無人機的發展方向和趨勢，無人機以其制造運營成本低、人員傷亡低、工作效率高等諸多優勢也被越來越多的應用于國防、勘探、救援、娛樂等領域中，而且無人駕駛技術也越來越多的被各個國家重視。隨著無人機的發展，也出現了很多可以革新或者改進的工藝以及理念。以固定翼飛機為例，飛過固定翼的飛手普遍有一種感覺，就是很多的固定翼飛機的方向舵舵效不明顯，即想要利用方向舵轉向往往需要很長時間和較大的空域，很不靈活，然而我們又不能一味的加大方向舵的舵面或者行程量，那樣會使整個飛機的比例很不協調。本文就提出了一種由矢量電機的控制系統代替傳統牽拉式電機的理念，同時取消方向舵，旨在解決傳統固定翼無人機使用方向舵在水平方向上的轉向不靈敏問題。

一、矢量控制系統設計原理

矢量控制系統是將飛機方向舵取消，通過一個矢量電機座將電機和舵機連接起來安裝在機身上，再利用舵機的轉動來控制電機的左右轉動，從而改變電機提供的拉力方向（即拉力線）或推力方向，通過拉力線或者推力線方向的改變，進而控制飛機的左右轉向。取消方向舵舵面，然后將舵面和垂尾固定在一起形成新的垂直尾翼保持方向安定。本設計不僅僅適用于前拉式飛機，同樣適用于尾推式飛機。

二、固定翼無人機矢量控制系統制作工藝

如下圖所展示，本設計的結構比較簡單，制作步驟簡潔。

選取的原料有：三軸飛行器尾電機座、舵機、電機、層板。

將舵機配以圓形舵角，固定在層板方盒上，將三軸尾電機座一端安裝在舵角上，另一端安裝在電機尾部，在舵機控制舵角轉動時，通過電機座的傳導作用，會使電機的方向發生變化，此時電機的拉力線發生變化導致飛機轉向。據飛機性能、舵機質量、設計要求，合理選擇舵機類型以及轉動行程量。矢量控制系統對舵機性能要求較高，建議選大扭矩金屬數字舵機，普通塑料舵機無法提供很大的扭力，同時齒輪嚙合不嚴密。并且飛機設計時應考慮合理的機頭長度以滿足電機轉向的安全距離，防止同時可適量縮短飛機尾翼到重心的距離、縮小垂尾受力面積。

三、矢量控制飛機的優勢

眾所周知，現在市面上的飛機多以固定翼和多旋翼為主。按照現有的設計思路，矢量控制更多的被應用于多旋翼飛機上，以此來降低電機數量、減輕飛機質量，可以實現垂直起降、定點懸停的要求，具有良好的低速機動性能，并且能很好地在狹小空間內完成精準作業。但是在固定翼飛機中并沒有引入過矢量控制，那么將矢量控制系統引入到固定翼飛機中，尤其是引入到動力系統中，將帶來生么樣的變化呢，本文將從如下幾點闡述矢量控制系統在固定翼飛機中的優勢。

矢量控制飛機不僅僅具有傳統固定翼無人機的高飛行速度、高效率、航程遠的優勢，還有以下優勢：

（1）與傳統飛機相比，矢量控制系統轉向與方向舵相比擁有更高效的轉向效率與能力。傳統的飛機在利用方向舵進行轉向時，飛機的轉向角速度整體一致，但是內外兩側的機翼前進的線速度不同，導致兩側機翼產生的升力不同，由于不平衡的升力，飛機整體會向轉向的方向發生橫滾，這與預期的目的不符，同時用這種方式進行轉向時需要很大的空域和飛行時間，使得轉向效果不理想，此時若反打副翼可以減少甚至抵消側滾，保持飛機姿態，但是這時的飛機就不會轉向，而發生特技飛行中的側飛。利用本設計的矢量控制系統通過改變飛機電機的拉力線進行轉向，原理和使用方向舵不同，使用本設計的轉向原理是將飛機去前進的拉力方向改變，拉力的一部分分力使飛機的前進方向改變，利用矢量控制系統轉向和利用方向舵轉彎類似也會出現側滾的現象，但是此時若利用副翼抵消側滾的效果，飛機仍有向側方向的分力，不會和使用方向舵轉向一樣發生側飛現象，可以實現水平姿態的快速轉向，在進行了大量的實驗之后，得出使用矢量控制系統轉向比方向舵轉向時的效率提升了大概45%，這對于對地偵察項目的飛行是極其有利的。

（2）矢量控制系統代替方向舵，可以減少甚至取消由于方向舵面與垂尾之間縫隙產生的寄生阻力。在方向舵和垂直尾翼之間的具有旋轉縫隙，由于這個旋轉縫隙的存在，飛機在飛行過程中，氣流經過這個旋轉縫隙時，由于縫隙的擾動作用，會在這個縫隙中產生渦流，同時產生寄生阻力（夜叫干擾阻力），由于矢量控制系統的引入，方向舵被取代，方向舵和垂尾組成一個整體，形成新的垂直尾翼，就可以抵消掉由于縫隙處的氣流分離產生的渦流導致的干擾阻力，增加飛機的整體性能。

（3）矢量控制系統代替方向舵轉向，會減少飛機的轉向時的時間，便于完成任務，減少任務用時。由于矢量控制系統通過改變電機拉力線可以直接控制拉力方向，再通過操縱員的飛行經驗或者飛控的幫助下向反方向反打副翼，使飛機在水平姿態下轉向，在對地偵查項目中，更加便于觀察地面目標，同時減少轉向造成的時間浪費，極大地降低了飛行難度和比賽難度。

（4）矢量控制系統與雙發動機差速轉向無人機相比優勢。矢量控制系統與雙發動機利用兩個電機差速實現轉向的方法不同，前者直接改變拉力線（或推力線）的方向，令無人機向拉力線改變的方向運動。使用矢量控制系統的飛機與雙發動機差速無人機相比質量更輕，這對于模型飛機來說是非常有利的，質量輕意味著可以節省電池的消耗，同時搭載更重的荷載物；同時矢量固定翼無人機與后者相比其結構更加簡單，方便制作。

三、發展前景

本設計的發展前景是非常可觀的，本設計提出的是將電機在水平方向上進行轉動，以此代替方向舵控制飛機的轉向，在操縱員的飛行經驗或者飛控的幫助下，實現平飛狀態下的轉向，本設計現還處于初級階段，接下來的時間，我們還會去完善這個設計，相信技術成熟后，它可以極大地降低對地偵察與打擊項目的技術難度。

若將兩個可以上下轉動的矢量電機均勻置于機翼兩側的重心線上，相信其可一次按成可垂直起降的固定翼無人機。將會是可以垂直起降、定點懸停、低速穩定飛行的旋翼無人機和具有高效、高速飛行等特點的固定翼無人機的完美融合體。而且他的起飛不需要跑道，所以可以被部署到城市街道、山地丘陵等情況復雜的地域。高速巡航的能力使可這種飛機在相同的電池容量或者燃料的情況下執行地域范圍更廣的任務，這對于動力資源有限的無人機來說至關重要。[1]

參考文獻：

[1]張金雙.一種可垂直起降固定翼無人機分段控制策略研究.沈陽航空航天大學控制工程系.

基金項目：大學生創新創業訓練計劃項目（項目編號：2018114）

作者簡介：鄭建樂（1997-），河北邢臺人，就讀于河北農業大學國土資源學院，自然地理與資源環境專業。