遙控模式下無人機系統(tǒng)縱向飛行品質(zhì)評定

黃成濤 王立新

(北京航空航天大學 航空科學與工程學院，北京 100191)

無人機的飛行事故率較高，為有人機的10～100倍［1］，尤其是在遙控著陸階段.要保證無人機的飛行安全與完成飛行任務的質(zhì)量，無人機系統(tǒng)(由無人機平臺、通信數(shù)據(jù)鏈和地面控制站等模塊組成)須具有較好的飛行品質(zhì).

遙控模式下，無人機系統(tǒng)的飛行品質(zhì)存在以下特點:①通信數(shù)據(jù)鏈時延對系統(tǒng)閉環(huán)飛行品質(zhì)的影響較大［2－3］;②目前，國內(nèi)外尚無專門針對無人機系統(tǒng)的飛行品質(zhì)標準，只能根據(jù)其特點，參照部分有人機的飛行品質(zhì)準則［4］;③地面無人機飛行員無法直接感受到無人機的過載等狀態(tài)信息，基于無人機飛行員感受這些狀態(tài)信息的飛行品質(zhì)準則應謹慎使用［4］.

目前，國內(nèi)外已在無人機本體的飛行品質(zhì)評定［5－6］、無人機飛行品質(zhì)標準制定［1，4，7］等方面開展了研究.但是，針對無人機系統(tǒng)開展飛行品質(zhì)評定方法研究，評定并分析無人機系統(tǒng)的飛行品質(zhì)特性，則較少見諸報道.

針對上述問題，本文基于有人機的飛行品質(zhì)準則和評定方法，較系統(tǒng)地研究了遙控模式下無人機系統(tǒng)的縱向飛行品質(zhì)評定方法.對算例無人機系統(tǒng)的縱向短周期飛行品質(zhì)及駕駛員誘發(fā)振蕩(PIO，Pilot-induced Oscillations)趨勢進行了評定，得出了無人機系統(tǒng)縱向飛行品質(zhì)的新特點.

1 無人機系統(tǒng)模型

無人機系統(tǒng)包括地面控制站、通信數(shù)據(jù)鏈和無人機平臺等模塊，如圖1所示.

圖1 無人機系統(tǒng)模型結構

地面控制站接收無人機飛行員的操縱指令，并向地面飛行員提供無人機的飛行狀態(tài)等信息.

通信數(shù)據(jù)鏈分為上行和下行鏈路.在評定遙控模式下無人機系統(tǒng)的飛行品質(zhì)時，操縱信號應取為無人機飛行員的操縱輸入，而飛行狀態(tài)信息應從地面控制站獲取.通信數(shù)據(jù)鏈時延應取為上行和下行鏈路的時延之和.

無人機平臺由飛控系統(tǒng)、執(zhí)行器和無人機本體等構成.機載飛控系統(tǒng)基于PI控制增穩(wěn)方法設計，可較好地控制無人機跟蹤輸入指令.

執(zhí)行器包括發(fā)動機和舵面，均選取一階慣性環(huán)節(jié)來描述其動力學特性，并考慮舵面最大偏角和偏轉(zhuǎn)速率以及發(fā)動機推力范圍的限制.

選取某無人機為研究對象，計算所需數(shù)據(jù)來源于包括風洞試驗在內(nèi)的各種試驗和理論計算.

2 評定方法

飛控系統(tǒng)抑制了長周期模態(tài)運動，本文只研究無人機系統(tǒng)的短周期飛行品質(zhì)及PIO趨勢.

2.1 短周期飛行品質(zhì)評定方法

評定飛機短周期飛行品質(zhì)的準則包括CAP準則、等效參數(shù)準則、帶寬準則和Neal-Smith準則等［8］.有人建議在能夠獲得準確飛行品質(zhì)的前提下，盡量簡化或減少使用這些準則［9］.

1)CAP準則

該準則基于飛機的短周期自然頻率ωsp、阻尼比ξsp、單位迎角增量的穩(wěn)態(tài)過載增量Δnz/Δα、操縱期望參數(shù)CAP和等效延遲時間τe來評定飛機的短周期飛行品質(zhì).其中，CAP可反映軌跡與姿態(tài)的協(xié)調(diào)性，并可反映飛機的操縱性［9］.

本文建議在無人機系統(tǒng)的設計過程中采用CAP準則來預測其短周期飛行品質(zhì)，以全面考察系統(tǒng)的短周期頻率、阻尼、等效延遲時間、軌跡與姿態(tài)的協(xié)調(diào)性和操縱性等特性.

根據(jù)無人機系統(tǒng)(圖1)在給定激勵信號下的飛行仿真結果，利用低階等效系統(tǒng)方法［9］，可得到 ωsp、ξsp、Δnz/Δα、CAP 和 τe，進而可按照 CAP準則來評定其短周期飛行品質(zhì).

2)等效參數(shù)準則

等效參數(shù)準則所考察的飛機的短周期頻率、阻尼、等效延遲時間等特性，CAP準則均可考察.在采用CAP準則后，可不采用等效參數(shù)準則.

3)Chalk準則

Chalk準則主要考察飛機的等效延遲時間和短周期阻尼等特性，而這些特性CAP準則均可考察.因此，在低階等效系統(tǒng)失配度較小的情況下，采用CAP準則后，可不采用Chalk準則.

4)Gibson準則

Gibson準則只給出了一些趨向性的指導，未給出具體的品質(zhì)等級邊界，不建議采用該準則.

5)帶寬準則

帶寬準則主要考察飛機俯仰角θ頻域響應的帶寬ωBW和時間延遲τp.其中，ωBW表征θ對俯仰操縱的頻域響應在保證6 dB及45°穩(wěn)定裕度的前提下，人機閉環(huán)系統(tǒng)能夠復現(xiàn)的俯仰角指令的最大頻率，反映人機閉環(huán)系統(tǒng)響應的快速性.

本文建議采用帶寬準則來評定遙控模式下無人機系統(tǒng)的飛行品質(zhì)，以考察人機閉環(huán)響應的快速性和無人機系統(tǒng)的延遲時間.

通過對無人機系統(tǒng)在給定激勵信號下的飛行仿真結果進行快速傅里葉變換［9］，可得到θ對俯仰操縱輸入的頻域響應曲線，進而可得到ωBW和τp，然后可對系統(tǒng)的短周期飛行品質(zhì)進行評定.

6)Neal-Smith準則

該準則能揭示出人機閉環(huán)θ響應在期望的閉環(huán)帶寬ωB下，是否具有振蕩或超調(diào)等傾向(與最大諧振|θ/θc|max有關)，并可反映駕駛員的操縱負擔(與駕駛員補償相角φp有關).其中，ωB反映閉環(huán)響應的快速性，ωB越大，θ響應越快，為確保飛行任務的完成質(zhì)量，ωB須符合準則的要求.

本文建議采用Neal-Smith準則來評定無人機系統(tǒng)的飛行品質(zhì)，以考察人機閉環(huán)俯仰角響應的振蕩或超調(diào)傾向，以及無人機飛行員的操縱負擔.

無人機飛行員是根據(jù)通信數(shù)據(jù)鏈下傳的無人機飛行狀態(tài)信息來感受飛機的俯仰姿態(tài)響應，進而進行縱向操縱.因此，根據(jù)Neal-Smith準則，無人機飛行員模型如下式所示:

式中，e－0.25s表示無人機飛行員的時間滯后;Kpe，Tp1和Tp2分別表示無人機飛行員的增益、超前補償時間常數(shù)和滯后補償時間常數(shù)，其大小及相互關系反映無人機飛行員的工作負擔.

通過對人機閉環(huán)系統(tǒng)在給定激勵信號下的飛行仿真結果進行快速傅里葉轉(zhuǎn)換［9］，可得到θ頻域響應曲線，據(jù)此可得 ωB，|θ/θc|max和閉環(huán)回落量Δ等.采用優(yōu)化方法，以ωB與準則要求的閉環(huán)帶寬(著陸階段為2.5 rad/s)之差最小，且 Δ≥－3 dB為優(yōu)化目標;以 Kpe，Tp1和 Tp2為自變量［10］，可得到滿足優(yōu)化目標的 φp和|θ/θc|max，進而可根據(jù)該準則來評定無人機系統(tǒng)的短周期飛行品質(zhì).

綜上，本文建議采用CAP準則、帶寬準則和Neal-Smith準則來評定遙控模式下無人機系統(tǒng)的短周期飛行品質(zhì)，如表1所示.

表1 遙控模式下無人機系統(tǒng)短周期飛行品質(zhì)評定方法

2.2 PIO趨勢預測方法

PIO分為3類，I類PIO是由于飛機系統(tǒng)相位滯后或時延過大而產(chǎn)生的線性人機耦合振蕩.由于無人機系統(tǒng)的延遲時間較大，遙控模式下，發(fā)生I類PIO的趨勢較高.

MIL-STD-1797A［8］推薦了一種準則來預測 I類PIO.該準則認為，駕駛員在進行俯仰跟蹤時，當在準則頻率ωR處發(fā)生弱阻尼振蕩時，駕駛員會企圖控制法向過載來消除誤差.但是，無人機飛行員不能直接感受到無人機的過載，不會將過載作為直接控制目標.因此，本文不建議采用該準則來預測無人機的PIO趨勢.

此外，預測飛機PIO的方法還有帶寬準則和Neal-Smith 準則等［9］.

1)帶寬準則

該準則主要依據(jù)θ響應的帶寬ωBW和時間延遲τp來預測飛機的PIO趨勢.如果ωBW過小，人機閉環(huán)θ響應會較緩慢.在需要θ快速響應時，駕駛員所需的增益和超前補償需增大，導致θ響應的超調(diào)和振蕩增大，進而引起PIO現(xiàn)象.τp過大時，為確保θ快速響應，駕駛員所需增益和超前補償亦需增大，亦會引起PIO現(xiàn)象.該準則預測飛機俯仰跟蹤和著陸狀態(tài)的PIO敏感性時效果較好，且還可評定無人機系統(tǒng)的短周期飛行品質(zhì).因此，建議采用該準則來預測無人機的PIO趨勢.

2)Neal-Smith準則

該準則依據(jù)人機閉環(huán)系統(tǒng)在期望的閉環(huán)帶寬ωB(反映閉環(huán)θ響應的快速性)下，θ響應的最大諧振|θ/θc|max和駕駛員補償相角 φp來預測飛機的PIO傾向.為確保飛行任務的完成質(zhì)量，ωB須滿足該準則的要求，此時:①如果|θ/θc|max過大，人機閉環(huán)θ響應會具有較強烈的振蕩和超調(diào)傾向，可能引起PIO現(xiàn)象;②如果φp過大，表明駕駛員需進行較大的超前補償操縱，其操縱負擔較大，如果駕駛員減小超前補償時，則|θ/θc|max會增大，亦可能引起PIO現(xiàn)象.因此，該準則可較好地揭示出PIO傾向.此外，該準則還可評定無人機系統(tǒng)的短周期飛行品質(zhì).因此，建議采用該準則來預測遙控模式下無人機系統(tǒng)的PIO趨勢.

綜上，本文建議采用帶寬準則和Neal-Smith準則來預測遙控模式下無人機系統(tǒng)的PIO趨勢.

3 縱向飛行品質(zhì)評定

選取算例無人機處于著陸階段(C種階段).為研究通信數(shù)據(jù)鏈時延τd不同時無人機系統(tǒng)的縱向飛行品質(zhì)特性，本文選取τd分別為0(僅用于對比分析，τd并不會為0)，0.1，0.2 和0.5 s.

3.1 CAP 準則評定

通過低階等效系統(tǒng)方法，可得到算例無人機系統(tǒng)的CAP準則參數(shù)，結果如表2所示.

表2 CAP準則飛行品質(zhì)評定結果(C種階段)

由表2可看出，無人機系統(tǒng)的 ωsp，ξsp，CAP和Δnz/Δα均可滿足1級飛行品質(zhì)的要求，且這些參數(shù)受τd的影響較小.這是因為通過飛控系統(tǒng)的設計，無人機平臺的 ωsp，ξsp，CAP 和 Δnz/Δα 均可得到較好改善，且這些參數(shù)主要取決于無人機平臺.τd增大會使得無人機系統(tǒng)的等效延遲時間τe增大，會導致短周期飛行品質(zhì)發(fā)生降級.

3.2 帶寬準則評定

根據(jù)帶寬準則對算例無人機系統(tǒng)的縱向飛行品質(zhì)進行評定，結果如表3、圖2和圖3所示.圖3中，tdb為姿態(tài)回落時間.

表3 帶寬準則飛行品質(zhì)評定結果(C種階段)

圖2 帶寬準則短周期飛行品質(zhì)評定結果(C種階段)

圖3 帶寬準則PIO趨勢預測結果(C種階段)

由表3和圖2可看出，通信數(shù)據(jù)鏈時延τd對無人機系統(tǒng)的帶寬ωBW和時間延遲τp的影響均較大.τd增大會使τp增大，導致系統(tǒng)的短周期飛行品質(zhì)發(fā)生降級.此外，τd增大還會導致ωBW減小，人機閉環(huán)響應的快速性下降，對系統(tǒng)的短周期飛行品質(zhì)亦具有不利的影響.當τd較大時，無人機系統(tǒng)的短周期飛行品質(zhì)會發(fā)生明顯降級.

由表3和圖3可看出，τd增大會導致τp增大和ωBW減小，使無人機的PIO趨勢增大.τd較大時，遙控模式下的無人機會具有敏感的PIO趨勢.

3.3 Neal-Smith 準則評定

根據(jù)Neal-Smith準則對算例無人機系統(tǒng)的縱向飛行品質(zhì)進行評定，結果如表4和圖4所示.

表4 Neal-Sm ith準則飛行品質(zhì)評定結果(著陸階段)

圖4 Neal-Smith準則飛行品質(zhì)評定結果圖(著陸階段)

由表4和圖4可知，τd對最大諧振|θ/θc|max和駕駛員補償相角φp的影響均較大.τd增大時，由于人機閉環(huán)θ頻域響應的相角變小，為使閉環(huán)帶寬ωB滿足準則要求，駕駛員的超前補償需增大，進而使得φp增大，操縱負擔增加.此外，τd增大還會導致|θ/θc|max增大，人機閉環(huán)響應的振蕩或超調(diào)傾向增強.當 τd較大時，由于|θ/θc|max過大，且φp較大，無人機系統(tǒng)的縱向短周期飛行品質(zhì)會發(fā)生明顯降級，并會具有強烈的PIO傾向.

4 人機閉環(huán)仿真實驗

根據(jù)無人機系統(tǒng)模型(圖1)，采用式(1)所示的無人機飛行員模型(模型參數(shù)參照Neal-Smith準則確定)，對“無人機飛行員-無人機系統(tǒng)”人機閉環(huán)系統(tǒng)在執(zhí)行俯仰角θ階躍跟蹤任務時的飛行進行數(shù)學仿真模擬.當人機閉環(huán)系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬為ωB=2.5 rad/s時，仿真結果如圖5所示.

圖5 人機閉環(huán)仿真結果(ωB=2.5 rad/s)

由圖5可看出，為確保人機閉環(huán)θ響應的上升時間較小(即滿足 ωB=2.5 rad/s)，τd增大時，θ響應的振蕩和超調(diào)現(xiàn)象會加劇.當τd較大時(如0.5 s)，無人機人機閉環(huán)系統(tǒng)在執(zhí)行θ階躍指令跟蹤任務時會進入持續(xù)的振蕩之中，進而發(fā)生PIO現(xiàn)象.這與本文前述PIO趨勢預測結果是一致的.

在執(zhí)行慢機動飛行任務時(取ωB=1.5 rad/s)，人機閉環(huán)飛行仿真結果如圖6所示.

圖6 人機閉環(huán)仿真結果(ωB=1.5 rad/s)

由圖6和圖5可看出，當ωB=1.5 rad/s時，人機閉環(huán)θ響應的上升時間較ωB=2.5 rad/s時增大(快速性下降)，但超調(diào)和振蕩明顯減弱;τd較大時(如0.5 s)，人機閉環(huán)系統(tǒng)在執(zhí)行θ階躍指令跟蹤任務時無PIO現(xiàn)象發(fā)生.這表明，τd較大時，無人機人機閉環(huán)系統(tǒng)在執(zhí)行慢機動飛行任務時(即ωB相對較小)，不會發(fā)生PIO現(xiàn)象.

綜上，τd較大時，算例無人機人機閉環(huán)系統(tǒng)具有發(fā)生PIO的傾向，且在執(zhí)行快速機動飛行任務(即ωB較大)時，可能發(fā)生PIO現(xiàn)象，在執(zhí)行慢機動飛行任務時，則不會發(fā)生PIO現(xiàn)象.

5 結論與建議

本文參照部分有人機飛行品質(zhì)準則，建立了適用于遙控模式下無人機系統(tǒng)的縱向飛行品質(zhì)評定方法，可較全面考察無人機系統(tǒng)的短周期飛行品質(zhì)特性，并可對其PIO趨勢進行預測.對算例無人機系統(tǒng)在遙控模式下的縱向飛行品質(zhì)進行了評定及分析，得到以下結論:

1)通過飛控系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用，無人機系統(tǒng)可具有良好的短周期頻率和阻尼等特性，且這些特性主要取決于無人機平臺.

2)通信數(shù)據(jù)鏈時延會增大無人機系統(tǒng)的延遲時間，使人機閉環(huán)響應的快速性下降，振蕩或超調(diào)等不利傾向增強，對短周期閉環(huán)操縱品質(zhì)具有不利的影響，并可能導致其發(fā)生降級.

3)通信數(shù)據(jù)鏈時延會增強無人機系統(tǒng)的PIO趨勢.通信數(shù)據(jù)鏈時延較大時，遙控模式下的無人機系統(tǒng)會具有較強烈的PIO趨勢，且在執(zhí)行快速機動飛行任務時，可能發(fā)生PIO現(xiàn)象.

4)采用本文推薦的各種準則來評定遙控模式下無人機系統(tǒng)的縱向飛行品質(zhì)時，得到的飛行品質(zhì)變化規(guī)律是一致的.

對此，本文提出以下建議:

1)在設計過程中，盡可能降低通信數(shù)據(jù)鏈等模塊的延遲時間，以降低無人機系統(tǒng)的延遲時間.

2)采用時延補償技術，根據(jù)無人機響應的實時預測來修正地面控制站的輸出信息，減小無人機飛行員感受到的時間延遲，改善操縱感覺［2－3］.

3)盡可能避免無人機在遙控模式下執(zhí)行快速機動飛行任務，以避免發(fā)生PIO現(xiàn)象.

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