無人機飛行控制系統(tǒng)設(shè)計工程

張劍鋒 (西安愛生技術(shù)集團公司)

無人機飛行控制系統(tǒng)設(shè)計是多學(xué)科綜合優(yōu)化的設(shè)計過程，是無人機系統(tǒng)軟件實現(xiàn)的理論基礎(chǔ)和設(shè)計依據(jù)。高品質(zhì)的飛行控制系統(tǒng)是現(xiàn)代高性能無人機實現(xiàn)安全飛行和完成復(fù)雜飛行任務(wù)的重要保證，是無人機系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)中不可缺少的重要環(huán)節(jié)。

近年來隨著航空技術(shù)的快速發(fā)展，無人機承擔(dān)的任務(wù)使命逐步增加，飛行控制系統(tǒng)開始向著航空綜合化系統(tǒng)的方向發(fā)展，它把飛行控制、火力控制、目標(biāo)探測、導(dǎo)航系統(tǒng)等綜合，使得這些系統(tǒng)能夠更好的協(xié)同工作以完成飛行任務(wù)。同時，飛控系統(tǒng)的規(guī)模也越來越大，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、行為以及數(shù)據(jù)交聯(lián)關(guān)系也越來越復(fù)雜，已經(jīng)發(fā)展成為一種涉及機械、電子、液壓和軟件等多個學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)。

系統(tǒng)組成及工作原理

飛行控制系統(tǒng)包括飛控計算機和實現(xiàn)飛行控制律的功能軟件，它是無人機自動駕駛儀的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著飛行控制、飛行管理、定位與導(dǎo)航、起降控制、數(shù)據(jù)鏈設(shè)備控制與管理、任務(wù)設(shè)備控制與管理、機載設(shè)備故障診斷與處理等多項重要任務(wù)。

自動飛行控制的基本原理是應(yīng)用自動控制理論中的“反饋控制”理論，而為了滿足飛行安全性和完成飛行任務(wù)的目標(biāo)要求，飛行控制系統(tǒng)完成的基本任務(wù)主要有改善飛行品質(zhì)、協(xié)助航跡控制、全自動航跡控制、監(jiān)控和任務(wù)規(guī)劃等。

一般來說，無人機的控制系統(tǒng)性能品質(zhì)和穩(wěn)定性可以參照有人駕駛飛機的飛行控制系統(tǒng)國家軍用標(biāo)準(zhǔn)的通用規(guī)范，如GJB185-86。對不同的飛機，其控制系統(tǒng)的要求也不同，但是實現(xiàn)姿態(tài)穩(wěn)定則是各種飛機自動飛行控制的最基本要求，目前技術(shù)條件下無人機主要控制方式有遙控控制、程序控制、人工干預(yù)控制等。隨著人工智能技術(shù)的進步，無人機未來也可能采用自主控制等，可以根據(jù)任務(wù)要求進行飛行航跡的智能化規(guī)劃和決策。

（左）坐標(biāo)系與姿態(tài)角。

無人機飛行控制系統(tǒng)設(shè)計方法

總結(jié)飛行控制設(shè)計技術(shù)的發(fā)展歷程可以發(fā)現(xiàn)、到目前為止經(jīng)歷了以文檔為中心和以模型/文檔混合為中心的兩個階段。

（右）數(shù)字仿真驗證流程。

以文檔為中心的設(shè)計方法

以文檔為中心設(shè)計方法是過去相當(dāng)長一段時間內(nèi)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計采用的主要方法，它一方面是指設(shè)計過程中各階段的設(shè)計成果以文檔形成呈現(xiàn)并在各階段之間傳遞，另一方面也表示該方法中各階段得信息加工處理以手工方式為主，缺乏必要的計算機輔助設(shè)計和驗證手段。在傳統(tǒng)的飛行控制系統(tǒng)研制中，設(shè)計過程和測試過程相對獨立，設(shè)計人員只能等到原理樣機實現(xiàn)后才能對設(shè)計方案進行測試和驗證，并根據(jù)測試結(jié)果返回設(shè)計階段進行更改。該方法存在的缺點和不足主要有系統(tǒng)方案表達(dá)方式落后、設(shè)計建模語言種類繁多，不便于設(shè)計人員之間溝通、信息孤島現(xiàn)象嚴(yán)重、缺乏有效的仿真驗證手段和快速反應(yīng)能力等。

以上缺點和不足使得采用傳統(tǒng)設(shè)計方法的飛行控制系統(tǒng)研制是一種基于原理樣機的研制，即設(shè)計人員只能通過不斷設(shè)計、制造原理樣機并基于原理樣機進行各類測試和仿真試驗來完成飛行控制系統(tǒng)研制，由此導(dǎo)致研制周期長、研制費用大。

飛控系統(tǒng)的硬件設(shè)備集成度越來越高。

以文檔/模型混合為中心的設(shè)計方法

隨著計算機技術(shù)和建模仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，各類CAX技術(shù)開始出現(xiàn)并由此產(chǎn)生一些新的系統(tǒng)設(shè)計理念和方法。如機械系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域的虛擬樣機（VP）技術(shù)，控制系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域的Matlab/Simulink技術(shù)等。基于文檔/模型的設(shè)計方法，可以對設(shè)計方案進行充分的分析、測試和評估，消除其中可能存在的歧義和錯誤，避免等到原理樣機實現(xiàn)后才方法這些錯誤再進行修改而造成的損失。飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計階段和實現(xiàn)階段之間傳遞的不再是非形式化的文檔，而是面向?qū)崿F(xiàn)的形式化模型，飛控系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)了從以文檔向文檔/模型為中心的轉(zhuǎn)變。

無人機飛行控制專業(yè)發(fā)展

機載計算機技術(shù)

隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外無人機機載計算機從功能上經(jīng)歷著分散、綜合的交替，最終向著綜合化發(fā)展；體系結(jié)構(gòu)也根據(jù)不同的需求從單余度到五余度不等；處理器也從單片機、DSP、ARM、SOC到X86、POWER PC；總線有1553B、429、485、422、232、CAN等；操作系統(tǒng)有Unix、μC/OS-Ⅱ、DOS、Vx works、Linux等。

伺服與結(jié)構(gòu)技術(shù)

國內(nèi)外中小型無人機絕大多數(shù)都使用電動伺服系統(tǒng)。國內(nèi)目前成熟的無人機伺服舵機大都采用有刷直流電機做驅(qū)動源，采用直齒減速器或諧波齒輪減速器作為執(zhí)行機構(gòu)，采用電位計做為舵面位置反饋傳感器，采用測速發(fā)電機作為速度反饋傳感器，伺服放大器多為模擬控制驅(qū)動方式，舵機的實際壽命一般不足2000小時。隨著新技術(shù)和新產(chǎn)品的不斷發(fā)展，先進電動伺服系統(tǒng)在性能上向高精度、高效率、高可靠性和高適應(yīng)性發(fā)展；在功能上向小型化、輕型化、多功能方向發(fā)展。

電氣與保障技術(shù)

國外采用電氣多路傳輸技術(shù)的自動配電系統(tǒng)已經(jīng)成熟，并在多種飛機上得到使用。國內(nèi)中小型無人機采用混合式供電和集中供電兩種方式，自動配電系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)是中小型無人機供電系統(tǒng)的發(fā)展方向。

測量與測試技術(shù)

測量專業(yè)中，國外元件級敏感器件起步早，智能化、微型化、多傳感器綜合技術(shù)成為傳感器發(fā)展的趨勢。國內(nèi)元件級敏感器件發(fā)展比較晚，基礎(chǔ)相對比較薄弱。高精度、高可靠性、微型化成為國內(nèi)敏感器件的主要研究方向，而集成度高、智能化的傳感器網(wǎng)絡(luò)也成為近些年傳感器發(fā)展的新熱點。

測試專業(yè)發(fā)展初期以自動化、系統(tǒng)化測試為主。隨著計算機技術(shù)和嵌入式技術(shù)的發(fā)展，測試領(lǐng)域逐漸向便攜式、智能化的方向發(fā)展，同時依托專家系統(tǒng)、故障診斷等技術(shù)，發(fā)展成各式各樣的ATS（智能測試系統(tǒng)）。

實時仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

無人機飛行控制律設(shè)計過程

開發(fā)的輸入與輸出

開發(fā)輸入包括無人機系統(tǒng)涉及的平臺級和系統(tǒng)級對控制律的需求、飛行器的氣動數(shù)據(jù)（含鉸鏈力矩數(shù)據(jù)）、重量特性和慣性特性數(shù)據(jù)、發(fā)動機仿真模型、傳感器以及伺服舵系統(tǒng)模型等。開發(fā)輸出包括以Matlab/Simulink形式表述的飛行控制律仿真模型，以及以文檔形式描述的控制律詳細(xì)需求和設(shè)計結(jié)果。

控制律設(shè)計方法

控制律的設(shè)計方法主要有以下幾種：經(jīng)典控制方法，包括根軌跡，頻域Bode圖等；現(xiàn)代控制方法，包括極點配置，LQR等；魯棒控制方法，包括H2控制，Hinf，mu控制等；智能控制方法，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，遺傳算法等。在進行控制律設(shè)計之前，首先要進行參考坐標(biāo)系的選擇，這也是控制律設(shè)計的基礎(chǔ)。

控制律開發(fā)實施過程

開發(fā)實施過程首先是對控制律開發(fā)的工作分解，即把控制律分解到功能模塊，每個功能模塊有飛控設(shè)計人員獨立進行設(shè)計需求描述、建模、仿真驗證等。最后全部設(shè)計完成的飛行控制律需要在6DOF非線性模型上進仿真驗證，確認(rèn)設(shè)計結(jié)果對系統(tǒng)需求表達(dá)的正確性、完整性和符合性。飛行控制律開發(fā)與實現(xiàn)過程中，要考慮以下幾個問題：氣動數(shù)據(jù)處理與性能計算、系統(tǒng)建模語言與控制律設(shè)計方法、控制律中非線性環(huán)節(jié)的離散化、控制律切換時刻控制信號的處理、飛行控制律的評估與確認(rèn)，以及飛行控制軟件架構(gòu)等。

數(shù)字仿真

仿真驗證是設(shè)計中必不可少的重要環(huán)節(jié)，用于驗證設(shè)計結(jié)果的正確性和有效性，從而及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題，實現(xiàn)快速設(shè)計迭代。頂層設(shè)計建模和全數(shù)字仿真是一個快速循環(huán)反復(fù)迭代的過程，通過數(shù)字仿真的手段，可以有效的保證頂層設(shè)計的有效性。

系統(tǒng)驗證

地面仿真驗證是無人機在飛行試驗前的重要環(huán)節(jié)，充分的地面仿真對型號降低成本、縮短周期、降低飛行風(fēng)險的價值不可估量。基于高精度飛機模型的仿真系統(tǒng)能夠讓無人機在實驗室中“飛”起來。具體來說地面仿真驗證可以達(dá)到如下效果：驗證航電設(shè)備之間的接口正確性、功能正確性；驗證飛行控制律設(shè)計的正確性；驗證機載軟件實現(xiàn)的正確性與可靠性；考核飛行控制系統(tǒng)的魯棒性；接近真實的飛行操縱模擬與操縱人員的培訓(xùn)。

一般來說，仿真驗證環(huán)境包括如實時仿真機、故障模擬系統(tǒng)、視景顯示系統(tǒng)、模擬器（位置模擬、姿態(tài)模擬、高度/速度模擬等）等設(shè)備。西安愛生技術(shù)集團公司已開發(fā)了便攜式、機柜式等系列化的地面仿真驗證系統(tǒng)，并已經(jīng)廣泛應(yīng)用在多個無人機型號研制過程中。 ■