飛行器AFCS的穩(wěn)定性淺析

中國人民解放軍92419部隊 曹 勇

1 引言

無人機（Unmanned Aer ial Vehicl e，簡稱UAV），就是無人駕駛的飛機，它起初是用于訓練使用的[1]。從上世紀九十年代開始，無人機得到了突飛猛進的發(fā)展，逐漸開始替代有人機執(zhí)行各種任務(wù)。如今，無人機已經(jīng)成為各國航空領(lǐng)域的重要研究方向。它具有結(jié)構(gòu)簡單等眾多優(yōu)點，可以到達很多有人機無法到達的危險區(qū)域。無人機的安全飛行，離不開其飛行控制系統(tǒng)(簡稱AFCS)。飛行控制系統(tǒng)就相當于無人機的大腦。最初的UAV是依靠自駕儀來調(diào)整姿態(tài)的，現(xiàn)在的無人機的AFCS已經(jīng)不單獨設(shè)置此類機構(gòu)了[2]。無人機很多時候要進行自主飛行，其自主飛行控制如圖1所示。UAV主要有無線電、慣性、GPS三種導(dǎo)航方式[3]。

圖1 自主飛行控制圖

2 飛控設(shè)計原理

無人機往往框架小，結(jié)構(gòu)簡單，難以飛行太高，在設(shè)計過程中，更多的依據(jù)現(xiàn)有的成熟技術(shù)，通過計算流體力學（CFD）來進行建模并應(yīng)用FLUENT等軟件進行仿真。無人機和AFCS構(gòu)成了一個閉環(huán)系統(tǒng)。AFCS主要由測量元件、信號調(diào)理電路、控制系統(tǒng)、阻尼器、執(zhí)行機構(gòu)等組成。為保證無人機的安全飛行，最重要的是保證無人機的正確姿態(tài)和航跡。控制無人機的姿態(tài)主要依靠俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航三個方向的速率陀螺；控制無人機的航跡主要依靠GPS定位信息，不斷修正，按照預(yù)定的方向飛行。無人飛行器的起飛階段以及回收階段往往通過手控操作執(zhí)行，正常起飛后往往通過程控飛行[4]。根據(jù)空氣動力學知識，知道飛機的升力公式為式（1.1）。當飛機下表面壓力大于上表面壓力時，飛機才能產(chǎn)生向上的運動。飛行過程中，通過高度傳感器來傳遞高度信息，通過空速傳感器來傳遞空速信息，為地面操作人員提供重要的判斷依據(jù)。

式中：Y----升力；Cy----升力系數(shù)；r----空氣密度；v----來流速度；S----有效面積。

3 可控性分析

UAV飛行性能的好壞，主要取決于其可控性，又受重量和慣量的影響，通過穩(wěn)定性和操縱性體現(xiàn)出來，這兩種性能相互聯(lián)系又有一定的區(qū)別。不同的氣動布局，不同的艙室設(shè)置，都決定了無人機不同的性能和狀態(tài)，因此改變其穩(wěn)定性和操縱性的方式也不盡相同，常用的方法有設(shè)計增穩(wěn)系統(tǒng)以及安裝阻尼器兩種。增穩(wěn)系統(tǒng)是通過增加一些反饋設(shè)計，不改變原結(jié)構(gòu)，將一些力或形變轉(zhuǎn)化為脈沖信號，進一步反饋給控制器，由控制器進行解碼，變成伺服機構(gòu)可以識別的語言，產(chǎn)生動作，保持無人機的穩(wěn)定性[5]。阻尼器的工作原理是增加阻尼，使操縱面趨于平穩(wěn)。為實現(xiàn)這一點，需要獲取三個方向運動速率的反饋信息，使無人機系統(tǒng)形成一個閉環(huán)。一般可以將這兩種方式進行融合，改善阻尼特性，減小瞬間擾動，對于速度不高、過載不大的飛行器來說，是可以實現(xiàn)的。阻尼器發(fā)揮了反饋和核對的作用，它一方面阻止角速度的快遞變化，另一方面又不改變飛行器正常的動作，按照飛控器的指令執(zhí)行。

控制律設(shè)計主要包括空速保持、高度保持、航線保持等三種。高度信息決定了油泵的工作，空速信息決定了升降舵的工作，航向角決定了方向舵的工作。空速信息極其重要。根據(jù)空氣動力學知識，我們知道通過調(diào)整俯仰角能夠改變無人機的速度。雖然這樣操作會在高度上有所影響，但能夠讓無人機空速穩(wěn)定在安全區(qū)域內(nèi)。此時，高度出現(xiàn)了變化。任何事物的能量都包括動能和勢能兩部分。無人機高度增加，也就是勢能的增加，這時需要使發(fā)動機工作，通過改變動能來改變勢能，進一步實現(xiàn)對高度的調(diào)整。衛(wèi)星定位信息是控制航向的重要依據(jù)，包括無人機的方位和航向。阻尼器的安裝使用，可以使無人機減弱外界的干擾影響，保持正確的航向飛行。

4 傳感器應(yīng)用

傳感器可以測量溫度、壓力等外部物理量，并將這些物理量轉(zhuǎn)換成飛控系統(tǒng)能夠識別的電子信號[6]。常用于飛行器上的傳感器有無線電高度表、GPS、溫度傳感器等。傳感器獲取數(shù)據(jù)的準確性至關(guān)重要，否則控制就無從談起。壓阻式傳感器是利用的電橋原理。通過計算得到高度信息。壓電式傳感器能感知力，它獲取的信息都能與相應(yīng)的力轉(zhuǎn)化。當它受到外界影響時，會生成不同的電子移動，通過電流的形式表現(xiàn)出來。最終形成脈沖信號，控制舵機完成相應(yīng)的動作，實現(xiàn)對飛行姿態(tài)和高度的控制。

5 結(jié)論

無人機在軍事和民事領(lǐng)域都越來越得到重視，無人機要實現(xiàn)自主飛行，其飛控系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。本文以小型、低速飛行器為研究對象，對其飛行控制系統(tǒng)的工作原理、力學特性、穩(wěn)定性及操縱性、傳感器技術(shù)進行了簡要介紹和分析，重點對阻尼反饋閉環(huán)和控制律進行了闡述，做了一定程度的探索性工作，結(jié)合增穩(wěn)系統(tǒng)提出了設(shè)計方案，為提高UAV的穩(wěn)定性提供了新的思路。本文結(jié)論對實際工程具有一定的參考價值。

[1]《國內(nèi)外無人機大全》編寫組.國內(nèi)外無人機大全[M].北京:航空工業(yè)出版社,2001.

[2]張明廉,等.飛行控制系統(tǒng)[M].北京:航空工業(yè)出版社,1994.

[3]龍燕.高靜穩(wěn)定性無人機飛行控制系統(tǒng)研究[D].四川大學,2003.

[4]方曉,雷金奎,劉志剛.小型無人偵察機飛行控制系統(tǒng)設(shè)計[J].飛行力學,2004,22(1):37-40.

[5]宋翔貴,等.電傳飛行控制系統(tǒng)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2003.

[6]沈幸農(nóng),王永紅.傳感器及應(yīng)用技術(shù)[M].北京:化學工業(yè)出版社,2002.