無人機飛行控制系統若干關鍵技術研究

摘要：隨著我國科學水平和通訊技術、信息技術、遙感技術的發展，無人機被廣泛應用于空中偵察、監視、通訊、反潛、電子干擾等領域，作為無人機心臟的飛行控制系統其若干關鍵技術可以為無人機的地面操縱運動、飛行性能和品質提供可靠的保障。

關鍵詞：無人機;飛行控制系統;關鍵技術;研究

隨著我國科學水平的快速發展，并伴隨著通訊技術、信息技術、遙感技術的發展，一種“會飛的照相機”誕生了，它就是被廣泛應用于空中偵察、監視、通訊、反潛、電子干擾等領域的無人機，由于其成本低、使用靈活、適用范圍廣，目前得到了迅速發展，甚至有的人用它來記錄日常工作和生活。無人機飛行控制系統是無人機的心臟，其若干關鍵技術可以為無人機的地面操縱運動、飛行性能和品質提供可靠的保障。

一、無人機、無人機系統與無人機飛行控制系統

通俗的說，無人機是一種飛行器，它不載人、借助空氣動力起飛、通過遙控或自主飛行，根據設計或使用者的需要有一次性的也有可回收使用的，但一定攜有致命或非致命有效載荷。

無人機系統是由飛機平臺系統、信息采集系統和地面控制系統即控制站、任務載荷、導航系統和通信鏈路組成。控制站是飛行操控和任務規劃中心，通過上行通信鏈路發送指令，控制飛行，操控所攜帶的各種任務載荷，通過下行通信鏈路，接收飛機回傳的信息和圖像，實現人機交互;任務載荷是無人機上為完成特定任務而攜帶的設備，它根據任務的需要分為兩種，一種是非消耗型（如，雷達系統、污染監測等），能夠重復使用，另一種是消耗型（如，植保系統、滅火系統、救生等）;導航系統是用于雷達跟蹤、無線電跟蹤、直接估計的慣性導航、衛星導航、組合導航等;通信鏈路就是發送上行、下行指令、信息、任務等的數據傳輸設備，無人機系統的工作原理如下圖所示：

無人機系統的工作原理圖

無人機飛行控制系統是能夠穩定無人機飛行姿態，并能控制無人機自主或半自主飛行的控制系統，是無人機的大腦，由GPS接收機板、穩定和導航控制板、機載通訊板、電路板以及機載遙控接收機板五部分組成，GPS接收機板主要是為穩定與導航板提高經緯度、GPS位置信息、高度、飛機位置和衛星信號等信息;穩定和導航控制板主要是對GPS接收機傳送的信息進行計算和分析，對無人機飛行進行有效控制;機載通訊板就是接收穩定和導航控制板縮傳送的信息和數據并進行下傳;電源板就是給飛機的舵機、停車繼電器等提供電源和控制飛控盒;機載遙控接收機板主要是將從地面接收和獲取到的信息反饋給穩定控制板、導航板和通信板。

二、無人機飛行控制系統若干關鍵技術研究

無人機飛行控制系統是無人機的心臟，承載著無人機姿態穩定和控制、無人機任務設備管理和應急控制等任務，其設計的內容較多而且涉及的學科范圍廣泛（如，空氣動力學、飛行力學等），其中關鍵技術至關重要。

（一）無人機建模技術可以提高地面操縱運動品質

無人機建模技術包含機理建模、系統辨識建模、在模型精度和控制系統設計上折中。系統辨識建模是對無人機氣動參數進行辨識的方法，這種方法容易受到因氣動參數較多，導致工作難度系數增大和重復試驗、不斷處理數據信息的影響以及辨識結果的適用范圍有限，目前已經被機理建模所取代。機理建模是應用空氣動力學和飛行力學，對無人機地面滑跑階段進行研究的方法，包括了六自由度模型、非線性模型和動力學模型，這種方法由簡單的兩、三自由度模型發展為六自由度模型，并且考慮到空氣動力和無人機地面滑跑階段的受力因素，實現了由剛性建模向彈性建模的過度。無人機系統建模為了呈現無人機真實的運動特性，從而指導控制系統的設計和研發，模型的復雜程度和精確度越高，其反應出的更接近真實系統，但同時導致控制系統的設計和實現的復雜系數越大，因此，需要建立模型精度和控制系統設計上折中的方法。總之，無人機建模技術可以提高無人機地面操縱運動的品質。

（二）飛行控制技術可以提高飛行性能和品質

飛行控制技術是飛行控制系統的核心技術包括以時域響應、根軌跡等特性為理論依據的經典設計理論和以動態逆控制、魯棒控制、自適應控制等為代表的現代控制理論。經典設計理論主要用于縱向、橫側向弱耦合且機動性要求較低的無人機，其方法簡單，但不能適應現代飛機的整個飛行指標要求，現代控制理論在理論上適合現代飛機的飛行要求，但受建模技術等的影響，目前仍然無法應用于實際工程，只有二者相結合，進行優勢互補，才能提高無人機飛行性能和品質。

（三）飛行控制律確認與評估技術可以提高飛行控制律設計的效率和可靠性

飛行控制律確認與評估技術是確保飛行安全和取得放飛許可的關鍵技術，也是飛行控制技術的重要環節，其常用方法有：μ分析、νgap分析、基于多項式的分析、分叉分享以及基于優化理論分析等，是用來分析和度量飛控系統中各指標參數在可預測的情況下，能夠滿足飛行安全性和品質要求，提高設計效率和可靠性。

三、結語

未來隨著科技發展和社會的進步，無人機將作為一個終端設備被普及，廣泛應用于人們的日常消費、娛樂以及農業和巡視等領域，無人機飛行控制系統也將成為數據終端的核心，將大量信息回傳和分發，用戶可以通過付費的方式獲取有價值的信息。

參考文獻：

[1]朱銳.小型無人機飛控系統設計[D].哈爾濱工業大學，2018.

[2]徐健.自主無人機飛行控制系統設計和實現[D].廣西大學，2018.

基金項目：項目名稱：Research on air pollution vertical distribution monitoring system based on multi rotor UAV內蒙古教育廳課題。項目編號NJZY19274，項目編號NJDJZJR1803

作者簡介：李竟達（1983），男，漢族，內蒙古赤峰人，控制工程碩士，講師，研究方向：控制工程。