漫談現(xiàn)代無人機(jī)及其飛控系統(tǒng)技術(shù)

曹振操 喻彪 張家瑞

無人機(jī)系統(tǒng)以其機(jī)動(dòng)靈活、持久飛行和“零傷亡”等特點(diǎn)幾乎滲透到戰(zhàn)場空間的各個(gè)領(lǐng)域。近期幾次局部戰(zhàn)爭中無人機(jī)的突出表現(xiàn)，更加引起了各國軍方，尤其是軍事強(qiáng)國的高度重視，已成為信息武器裝備體系的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和重要組成部分，在信息支援、信息對抗和火力打擊等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。

與有人駕駛飛機(jī)相比，無人機(jī)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下五個(gè)方面：

一是可長時(shí)間執(zhí)行空中任務(wù)；

二是可替代有人駕駛飛機(jī)進(jìn)入核/生/化等污染環(huán)境執(zhí)行任務(wù)；

三是不存在飛行員傷亡，政治和軍事風(fēng)險(xiǎn)較小；

四是由于不考慮人的因素，可承受更大的載荷，飛機(jī)的隱身和機(jī)動(dòng)性上可實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍；

五是全壽命費(fèi)用低、作戰(zhàn)效費(fèi)比高。與衛(wèi)星相比，無人機(jī)系統(tǒng)具有時(shí)效性、針對性和靈活性強(qiáng)等優(yōu)勢。

一、無人機(jī)發(fā)展的主要關(guān)鍵技術(shù)

未來無人機(jī)向更高、更快、更遠(yuǎn)、更機(jī)動(dòng)、更高效的方向發(fā)展，需要的主要關(guān)鍵技術(shù)有：

1、平臺技術(shù)（綜合布局、氣動(dòng)、輕質(zhì)結(jié)構(gòu)、隱身）；

2、大尺寸復(fù)合材料設(shè)計(jì)（規(guī)范）、加工工藝（成本）；

3、結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，抗紫外線材料，輕質(zhì)材料，耐高溫材料等；

4、微型加工裝配技術(shù)、智能材料的應(yīng)用（無舵面柔性機(jī)翼，微型、仿生無人機(jī)）；

5、先進(jìn)的發(fā)射回收技術(shù)；

6、武器和設(shè)備的小型化及集成化；

7、隱身技術(shù)；

8、動(dòng)力技術(shù)；

9、通信技術(shù)；

10、智能控制技術(shù)；

11、空域管理技術(shù)；

二、無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)

飛行控制與管理系統(tǒng)是無人機(jī)的關(guān)鍵系統(tǒng)之一。飛行控制系統(tǒng)是無人機(jī)完成起飛（發(fā)射）、空中飛行、執(zhí)行任務(wù)、返場著陸（回收）等整個(gè)飛行過程的核心系統(tǒng)，對無人機(jī)實(shí)現(xiàn)全權(quán)限控制與管理，因此對無人機(jī)的功能和性能起關(guān)鍵、決定性作用。如果沒有飛行控制系統(tǒng)，現(xiàn)代無人機(jī)就不可能上天飛行，完成各種任務(wù)。

無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)一般包含傳感器、機(jī)載計(jì)算機(jī)和伺服作動(dòng)設(shè)備三大部分。

無人機(jī)控制模式

無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)是全時(shí)限、全權(quán)限的，飛行控制模式可以分為程序控制（時(shí)間程序控制）、遙控（通過地面站遙控指令控制）和自主飛行控制（二維、三維或四維）三種。

前二種飛行控制方式常用作靶機(jī)、觀測等類型無人機(jī)的飛行控制，第三種常用于偵察機(jī)、攻擊機(jī)等類型無人機(jī)的飛行控制。

在遙控方式下，地面操作手根據(jù)無人機(jī)的狀態(tài)信息和任務(wù)要求控制無人機(jī)的飛行；

在自主控制方式下，飛行控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器獲取的飛機(jī)狀態(tài)信息和任務(wù)規(guī)劃信息自動(dòng)控制無人機(jī)的飛行。

在半自主控制方式下，飛行控制系統(tǒng)一方面根據(jù)傳感器獲取的飛機(jī)狀態(tài)信息和任務(wù)規(guī)劃信息自主控制無人機(jī)的飛行，另一方面，接收地面控制站的遙控指令，改變飛行狀態(tài)。

1、機(jī)載傳感器

無人機(jī)飛控系統(tǒng)常用的傳感器包括角速率傳感器、姿態(tài)傳感器、航向傳感器、高度空速傳感器、飛機(jī)位置傳感器、迎角傳感器、過載傳感器等。傳感器的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的控制需要，在控制律初步設(shè)計(jì)與仿真的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

（1）角速率傳感器

角速率傳感器是飛控系統(tǒng)的基本傳感器之一，用于感受無人機(jī)繞機(jī)體軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角速率，以構(gòu)成角速率反饋，改善系統(tǒng)的阻尼特性、提高穩(wěn)定性。

（2）姿態(tài)、航向傳感器

姿態(tài)傳感器用于感受無人機(jī)的俯仰和滾轉(zhuǎn)角度，航向傳感器用于感受無人機(jī)的航向角。姿態(tài)、航向傳感器是無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的重要組成部分，用于實(shí)現(xiàn)姿態(tài)航向穩(wěn)定與控制功能。

（3）高度、空速傳感器（或大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)）

高度、空速傳感器（或大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)）用于感受無人機(jī)的飛行高度和空速，是高度保持和空速保持的必備傳感器。一般和空速管、通氣管路構(gòu)成大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

（4）飛機(jī)位置傳感器

飛機(jī)位置傳感器用于感受飛機(jī)的位置，是飛行軌跡控制的必要前提。慣性導(dǎo)航設(shè)備、GPS衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)是典型的位置傳感器。

2、伺服機(jī)構(gòu)

伺服作動(dòng)設(shè)備也稱舵機(jī)，是飛控系統(tǒng)的執(zhí)行部件。其作用在于接收飛行控制指令，進(jìn)行功率放大，并驅(qū)動(dòng)舵面或發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)風(fēng)門偏轉(zhuǎn)，從而達(dá)到控制無人機(jī)姿態(tài)和軌跡的目的。

伺服作動(dòng)設(shè)備可分為電動(dòng)伺服作動(dòng)設(shè)備、液壓伺服作動(dòng)設(shè)備和電液混合伺服作動(dòng)設(shè)備。無人機(jī)上通常使用電動(dòng)伺服作動(dòng)設(shè)備。

3、飛行控制律

飛行控制律是飛行控制系統(tǒng)一個(gè)重要組成部分，它是指令及各種外部信息到飛機(jī)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的一種映射關(guān)系。飛行控制律的設(shè)計(jì)就是確定這種映射關(guān)系，使飛機(jī)在整個(gè)飛行包線內(nèi)具有符合系統(tǒng)要求的飛行品質(zhì)。飛行控制律設(shè)計(jì)的依據(jù)是系統(tǒng)研制任務(wù)合同及相關(guān)頂層技術(shù)文件。根據(jù)這些文件具體形成在具有控制系統(tǒng)下飛機(jī)的各種品質(zhì)或性能，在對無控飛機(jī)的特性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，為達(dá)到所要求的飛行品質(zhì)或性能，確定初步的控制律結(jié)構(gòu)，然后應(yīng)用自動(dòng)控制的設(shè)計(jì)方法具體確定控制律參數(shù)。通過非線性全量仿真、半物理仿真及飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證或調(diào)整控制律結(jié)構(gòu)及參數(shù)，使飛行品質(zhì)或性能達(dá)到要求?？刂坡稍O(shè)計(jì)過程是一個(gè)迭代回歸的過程。