航空智能作動系統研究

鄧興民 曹圣兵 張 利 黃 琳

（慶安集團有限公司，西安 710077）

作動系統能夠幫助飛行員操縱飛機的起降、巡航以及改變飛行姿態等操作，執行裝投貨物、發射武器等各種飛行任務，具有不可替代的作用。在技術不斷躍升的推動下，作動系統發展經歷了純機械式、液壓助力式、電傳驅動式等階段。隨著人工智能（Artificial Intelligence，AI）發展日趨成熟，智能作動已經成為航空技術研究者積極探索與實踐的一個領域。世界各國的航空機載系統領跑者如MOOG、HONEYWELL等都推出了功能和物理形式各異的智能作動器，對于智能作動系統的研究具有一定的借鑒意義。

1 智能作動的概念

航空作動系統向著數字化、信息化、多電化及智能化等方向發展，其中智能化主要體現在材料的智能化、控制及傳感的智能化。智能作動并不是“智能”與“作動”的簡單疊加，而是集成智能材料與結構、AI、飛行控制、智能機械等理論基礎高度融合的結果。智能作動技術是將智能材料、新型結構、高效驅動器、先進傳感器與基體結構集成的一種新型作動技術，具備一定高度的自規劃、自組織、自適應等能力。內部的感知系統、分析決策系統與執行機構可以根據任務需求和環境進行一定自主改變，并對變化的外界環境做出即時響應[1]。

航空智能作動系統通過智能技術的賦能，如智能材料與結構、智能控制等，使系統更加完善。同時，通過學習和樣本訓練，持續提升系統功能，從而適應來自本體、環境和目標的不確定性，完成復雜的任務。IEEE 1451 標準在集成系統健康管理（Integrated System Health Management，ISHM）架構基礎上，借鑒智能轉換器概念對智能傳感器、智能作動器以及智能控制器進行相似定義。智能作動器包括智能轉換接口模塊（Smart Transducer Interface Module，STIM）、網絡應用處理器（Network Capable Application Processor，NCAP）、存儲模塊、通信模塊、功率模塊和作動器交互接口等，具備自補償、自校準、健康診斷、自測試和交互通信的能力[2]，如圖1 所示。

圖1 智能作動器概念框圖

2 研究現狀

美國航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）、美國國防高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）、美國空軍、歐盟等組織投入大量財力與人力開展了智能作動技術研究，如智能飛行控制、智能發動機、智能變形機翼及智能旋翼等，并取得一定突破。2009 年，在DARPA 的智能材料及結構演示計劃支持下，波音公司采用智能材料驅動轉子技術（Smart Material Actuated Rotor Technology，SMART）在MD-900 直升機的旋翼中嵌入壓電作動器。該作動器可以隨飛行狀態平滑地改變葉片外形，降低直升機噪聲和振動，從而提升其性能。測試結果顯示，噪聲水平可以控制在6 dB[3]。2014 年，在航空研究事務部（Aeronautics Research Mission Directorate，ARMD）計劃支持下，NASA 聯合波音公司將基于控制功率優化的AI 技術應用在無尾飛行器X-48B 中并進行性能測試驗證[4]。該飛行器擁有大量操縱面，控制面變形大，需要高驅動力和大力矩的作動機構。2015 年，NASA 格蘭研究中心的智能發動機控制研究規劃旨在推動下一代智能發動機技術，包括分布式作動的智能節點（智能作動、智能傳感、智能數據處理等）研究和在500 ℃環境下使用的高溫傳感器的開發[5]。

智能作動器可以分為基于智能材料作動器和基于智能控制作動器，如磁致伸縮作動器、壓電作動器、形狀記憶合金作動器、電靜液作動器、機電作動器以及其他類型智能作動器[6-7]。其中：Honeywell 公司研發的超磁致伸縮作動器是一種新型的振動控制驅動器件，主要包括殼體、大活塞、小活塞、端蓋和磁致伸縮棒等，如圖2 所示；QSS 公司研發的高溫形狀記憶合金（Shape Memory Alloys，SMA）作動器主要用于高壓渦輪發動機，如圖3 所示；美國MOOG 公司研制的集成智能作動器已經應用于HyQ 機器人，如圖4 所示。集成智能作動器包括伺服閥、智能控制單元、通信和大范圍傳感器，具有質量輕、尺寸小、高性能控制及極限溫度環境下運行等特點。

圖2 磁致伸縮作動器

圖3 高溫SMA 作動器

圖4 集成智能作動器

3 智能作動器典型架構

當前的智能作動器更像是一些高度自動化技術的集成，而真正的智能作動應像人類一樣可以自主學習，通過集成信息處理系統優化自身狀態，具備自校準、自診斷、自修復等特點，最終實現更低的維護成本、更高的安全性和可靠性。智能作動器典型架構包括實際智能作動器、仿真系統模型及智能作動健康管理3 部分，如圖5 所示。實際智能作動器包括執行機構、控制、先進傳感反饋及其所構成的運行系統。仿真系統模型是真實作動器在軟件/虛擬中的表達形式，包括執行機構模型、控制器模型、虛擬傳感器模型以及基于模型的系統運行等，通過模型的虛擬運行可以在更快的時間尺度上進行未來行為的預測。智能作動健康管理體現了系統的智能化水平，通過所獲取的信息進行智能化處理，融合整個系統，實現故障監測、隔離、故障診斷、預測以及健康管理等功能。

圖5 智能作動器典型架構

4 航空智能作動層次架構與支撐體系

4.1 層次架構

航空智能作動系統的架構可以分為4 個層次：基于智能材料和通用作動的混合作動器；依托高性能電執行機構、智能控制、智能傳感的集成智能作動器；通過高速實時數據總線、分層數據連接異構的智能節點形成分布式（多）智能作動系統；實施以深度學習為代表的智能算法作動系統，實現復雜環境下的智能作動控制、智能協同等功能。

4.1.1 混合作動器

通過應用智能材料的電機、液壓泵、伺服閥、傳動機構、作動筒/滾珠絲杠、傳感器、控制器、接口等核心部件組成的智能作動器，可以根據不同的應用需求和任務需求，利用部件模塊的組裝來組建作動系統。

4.1.2 集成智能作動器

系統主要通過結構-傳感-控制-作動高度一體化設計，高度集成高性能電執行機構、智能控制、智能傳感結構/功能。其分類包括集成化的電靜液作動器（Electro Hydraulic Actuator，EHA）、機電作動器（Electro Mechanical Actuator，EMA）、交互式應用處理器（Interactive Application Processor，IAP），集成化的基于智能材料的EHA、EMA、直接驅動閥（Direct Drive Valve，DDV）式作動器、直接驅動作動器（Direct Drive Actuator，DDA）以及集成化的混合型作動器。

4.1.3 分布式（多）智能作動系統

通過高速實時數據總線、分層數據連線，以智能作動器、智能傳感等作為智能節點基礎，構建分布式（多）智能作動系統。

4.1.4 智能算法作動系統

面對高壓、高電磁干擾、高溫度變化等復雜干擾環境，存在系統模型不確定、信息不完整、規則不確定、時間上強約束等特點。智能控制系統具備深度學習及一定進化能力的功能，實現自主改變并對變化的外界環境做出即時響應。

4.2 支撐體系

首先，從能力層面出發分析支撐能力層面的理論，實現信息理論、知識理論及智能行為理論等方面的突破和發展，為AI 的出現和應用奠定了理論基礎。其次，描述理論在實踐中的應用，將理論知識轉化為實用技術。需注意：技術層面的描述是在查閱多種資料后進行歸納整理的，并不完整，僅考慮所要論述的智能作動方面的可能技術應用深度；實踐層面的技術并不限于文中提到的技術，隨著技術的飛速發展，將有越來越多的技術手段應用于理論層面的實踐。最后，根據智能作動的工程實際初步分解技術，只涉及研究智能作動系統需要發展的技術層面，并不涉及作動系統已經應用的常規技術。例如，信息的獲取最大可能是通過通信網絡傳遞，但系統并不需要研究通信網絡技術。航空智能作動支撐體系，如圖6 所示。圖6 中列出的技術分解項可能需要研究具體的智能作動系統，才能得到進一步的拓展。

圖6 航空智能作動支撐體系

5 結語

以多電化、信息化、數字化、智能化需求為背景，在跨代航空裝備和空天裝備快速發展牽引下，飛機機電系統技術呈現出系統構架向綜合化發展、能源優化利用向多電/全電化發展、系統控制向智能化發展、熱/能量綜合管理向更高效發展的趨勢。航空智能作動技術的飛速發展，可能影響或顛覆整個行業的產品和技術體系。綜合當前發展態勢和行業影響分析，可以預判航空智能作動系統將經歷多個發展階段。作動系統的智能化水平與AI 一致，將主要經歷初級、中級到高級智能的發展階段。預計到2030 年，航空智能作動技術的發展基本可以實現促進現有作動系統智能化提升。通過智能控制、智能故障診斷等技術的賦能，將改進現有作動器產品，大幅提升產品的安全性和可靠性。未來的智能作動系統將會呈現躍升式發展，新的核心技術架構將建立，全新產品體系趨于成熟，結構更加簡單輕便，自主能力顯著增強，對復雜環境的適應性大幅提高，從而大量應用于飛行器系統。