一種新型的無(wú)人直升機(jī)便攜式飛行控制器設(shè)計(jì)

文/劉麗君 涂天佳

無(wú)人直升機(jī)系統(tǒng)主要由無(wú)人直升機(jī)平臺(tái)、控制站、任務(wù)載荷、數(shù)據(jù)鏈組成。操作員使用布置在控制站內(nèi)控制臺(tái)上的按鍵、鍵盤等指令輸入介質(zhì)通過(guò)數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人直升機(jī)平臺(tái)和任務(wù)載荷的控制，并經(jīng)通信鏈與戰(zhàn)區(qū)部隊(duì)、指揮官進(jìn)行聯(lián)絡(luò)?？刂普镜男问胶凸δ芨鶕?jù)無(wú)人直升機(jī)的規(guī)模和任務(wù)的不同會(huì)有差異。飛行控制器作為無(wú)人直升機(jī)手動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)是控制站的重要組成部分，主要用于大中型無(wú)人直升機(jī)的起飛著陸和試驗(yàn)試飛。國(guó)內(nèi)目前較成熟的無(wú)人直升機(jī)也具備自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制方式，在手動(dòng)模式下使用改進(jìn)的航?？刂破饔刹僮魇衷谀恳暉o(wú)人直升機(jī)姿態(tài)的形式下進(jìn)行控制。由于無(wú)人直升機(jī)系統(tǒng)屬于“人在回路”的系統(tǒng)，因此研究如何改進(jìn)人工控制對(duì)大中型無(wú)人直升機(jī)的飛行控制具有重要指導(dǎo)意義。

1 無(wú)人直升機(jī)操作特點(diǎn)

1.1 無(wú)人直升機(jī)操作方式

無(wú)人直升機(jī)的飛行階段一般劃分為地面檢查階段、遠(yuǎn)程超視距階段和近場(chǎng)起降階段。地面檢查階段進(jìn)行無(wú)人直升機(jī)和地面站的飛行前的例行檢查。遠(yuǎn)程超視距階段是操作人員在地面操縱超出人眼視距范圍內(nèi)的無(wú)人直升機(jī)。他們將并排坐在地面控制站（GCS）內(nèi)的兩個(gè)幾乎一樣的控制臺(tái)前，分別負(fù)責(zé)平臺(tái)和任務(wù)載荷的操作，如圖1所示。近場(chǎng)起降階段執(zhí)行無(wú)人直升機(jī)的起飛和降落，由站外操作手使用無(wú)人直升機(jī)飛行控制器配合站內(nèi)操作員一起完成。在地面操縱無(wú)人直升機(jī)與在空中駕駛無(wú)人直升機(jī)是不完全一樣的。飛行員空中駕駛直升機(jī)時(shí)通常使用操縱桿、腳蹬、油門、多功能顯示器、開(kāi)關(guān)、旋鈕，手腳協(xié)作完成空中飛行。飛行員的視野開(kāi)闊，并能直觀切身的感受到直升機(jī)當(dāng)前的飛行狀態(tài)和姿態(tài)。操作員在地面駕駛無(wú)人直升機(jī)時(shí)通常使用控制臺(tái)上布置的顯示屏、手柄、鼠標(biāo)、鍵盤、指令按鍵，主要通過(guò)手部的動(dòng)作完成，不需要腳部執(zhí)行機(jī)構(gòu)。操作員不容易有飛行運(yùn)動(dòng)的感覺(jué)，看到的是機(jī)載光電吊艙拍攝下來(lái)的有限視角范圍內(nèi)的景象，感受到的是通過(guò)數(shù)據(jù)鏈下傳的無(wú)人直升機(jī)的姿態(tài)參數(shù)。無(wú)人直升機(jī)的該種操作方式意味著地面操作人員需要盡可能多的獲取機(jī)載傳感器的遙測(cè)參數(shù)才能更全面的掌握平臺(tái)和載荷的狀態(tài)。

1.2 當(dāng)前飛行控制器操作方式

目前站外操作手使用的飛行控制器是由航模控制器改裝而成，主要用于近場(chǎng)起降階段。控制器如圖2所示，控制器的左桿橫向進(jìn)行尾槳距的控制，控制器的左桿縱向進(jìn)行俯仰周期變距的控制，控制器的右桿橫向進(jìn)行橫滾周期變距的控制，控制器的右桿縱向進(jìn)行總距的控制。其中，除了總距不能回中以外，其它距量都可回中。

該控制器操作模式源自航模飛行，是一種雙手持桿，在目視無(wú)人直升機(jī)姿態(tài)的條件下進(jìn)行距量聯(lián)動(dòng)控制的精細(xì)飛行操作。根據(jù)試飛經(jīng)驗(yàn)該操作模式存在控制模式單一、操作手無(wú)法實(shí)時(shí)獲取遙測(cè)數(shù)據(jù)的不足。

據(jù)中國(guó)航空器擁有者及駕駛員協(xié)會(huì)（AOPA）統(tǒng)計(jì)，截止2015年11月1日，中國(guó)取得無(wú)人機(jī)駕駛員合格證的人數(shù)僅為1250人，隨著無(wú)人機(jī)快速裝備部隊(duì)，軍用無(wú)人機(jī)操作手面臨短缺的局面，給部隊(duì)的戰(zhàn)備與訓(xùn)練帶來(lái)了極大的困難。如何大規(guī)模培養(yǎng)高質(zhì)量的無(wú)人機(jī)操作手，已成為各國(guó)軍民雙方的重要課題。如果依舊沿用該種控制器，不僅容易增加操作手的培養(yǎng)周期還由于其控制方式操作難度高，用戶體驗(yàn)差，對(duì)操作手的經(jīng)驗(yàn)以及心理承受能力均有較高的要求，在險(xiǎn)情發(fā)生或者操作環(huán)境惡劣時(shí)，很容易誤操作而造成無(wú)人直升機(jī)異常，因此對(duì)無(wú)人直升機(jī)人工控制的改進(jìn)是當(dāng)前亟需解決的問(wèn)題。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成和工作模式

本文借鑒有人直升機(jī)駕駛成熟的“多功能顯示屏+操縱桿”的操作方式并考慮到站外操作手的使用習(xí)慣，改用手柄作為操作桿，同時(shí)為保證站外操作手能實(shí)時(shí)獲取無(wú)人直升機(jī)的狀態(tài)參數(shù)，在飛行控制器中引入顯控模塊。因此新型飛行控制器由操作模塊和顯示模塊組成，如圖3所示。操作模塊主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生上行遙控指令，顯示模塊主要負(fù)責(zé)下行飛行遙測(cè)數(shù)據(jù)的顯示。操作模塊產(chǎn)生的遙控指令傳給顯示模塊進(jìn)行顯示，同時(shí)上傳給地面控制站經(jīng)地面控制站組幀以后發(fā)送給無(wú)人直升機(jī)。

飛行控制器的工作模式分為目視遙控與超視距控制兩種。在目視遙控模式下，操作手根據(jù)無(wú)人直升機(jī)的飛行狀態(tài)，通過(guò)控制操作模塊上的輸入部件將操作數(shù)據(jù)通過(guò)顯示模塊內(nèi)的處理單元發(fā)送到地面控制站，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人直升機(jī)的飛行狀態(tài)的調(diào)整。當(dāng)無(wú)人直升機(jī)飛離操作手的視距范圍時(shí)，根據(jù)任務(wù)需要，操作手可啟動(dòng)超視距控制模式，根據(jù)顯示模塊上實(shí)時(shí)顯示的狀態(tài)參數(shù)，通過(guò)操作模塊控制無(wú)人直升機(jī)的飛行。

圖1：火力偵察兵系統(tǒng)

圖2：站外操作手使用的飛行控制器

圖3：飛行控制器組成

圖4：操作模塊組成

圖5：手柄示意

圖6：顯示模塊組成

圖7：監(jiān)視界面

圖8：系統(tǒng)集成示意

2.2 操作模塊

操作模塊主要由電源單元、信號(hào)采集和調(diào)理單元、手柄構(gòu)成，如圖4所示。手柄上布置左、右按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人直升機(jī)的航向通道的控制，從而執(zhí)行懸?；剞D(zhuǎn)的飛行動(dòng)作；布置推鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人直升機(jī)的高度通道的控制，從而執(zhí)行爬升、下降的飛行動(dòng)作；布置的撥輪用以在緊急狀態(tài)控制航向；手柄自身具有前后左右兩個(gè)自由度，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人直升機(jī)的縱向、橫向通道的控制，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人直升機(jī)前后左后四個(gè)方向的飛行。手柄示意如圖5所示。手柄的操作部件以霍爾傳感器和壓電式力傳感器為主，霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用與電磁、壓力、加速度、振動(dòng)等方面的測(cè)量。手柄內(nèi)部集成的霍爾傳感器主要用于檢測(cè)撥輪和手柄自身產(chǎn)生的位移量。手柄頂部的推鈕采用壓電式力傳感器。該傳感器是基于某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)的一種傳感器，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。信號(hào)采集和調(diào)理單元將來(lái)自手柄的輸入模擬信號(hào)進(jìn)行調(diào)理和數(shù)字化，并將數(shù)字量解算為遙控指令，再通過(guò)串口傳送給顯示模塊和地面控制站。電源單元為手柄和信號(hào)采集和調(diào)理單元提供工作所需電壓。

2.3 顯示模塊

顯示模塊由電源單元、電池、處理單元、通信單元、顯示單元、輸入單元、存儲(chǔ)單元組成，如圖6所示。顯示單元采用液晶顯示器，通過(guò)LVDS接口與處理單元通信。通信單元采用RS422接口與操作模塊通信，采用以太網(wǎng)接口與地面控制站通信。采用電池供電和地面站供電輸入互補(bǔ)的供電方式。存儲(chǔ)單元用以存儲(chǔ)飛行數(shù)據(jù)。輸入單元主要完成顯示單元的亮度控制、顯示界面切換、指令鍵切換，通過(guò)在顯示單元周邊布置按鍵實(shí)現(xiàn)。處理單元作為顯示模塊的核心部件，接收操作模塊的RS422的串口數(shù)據(jù)、輸入單元的按鍵數(shù)據(jù)、地面控制站的遙測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)處理器對(duì)各種數(shù)據(jù)的運(yùn)算和組幀等操作將數(shù)據(jù)傳輸至顯示單元顯示，供站外操作手使用。

顯示模塊的軟件分為數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、人機(jī)交互界面以及系統(tǒng)配置模塊。數(shù)據(jù)通信模塊主要處理飛行控制器與地面控制站的信息交互，包括地面控制站的遙測(cè)數(shù)據(jù)接收、地面控制站的視頻數(shù)據(jù)接收、顯示模塊輸入單元數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)處理模塊主要實(shí)現(xiàn)地面控制站的遙測(cè)數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、顯示模塊輸入單元數(shù)據(jù)的處理。系統(tǒng)配置模塊主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)借口設(shè)置、系統(tǒng)屬性設(shè)置。人際交互界面用以實(shí)現(xiàn)重要飛行遙測(cè)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示，監(jiān)視界面如圖7所示。監(jiān)視界面共劃分為六個(gè)區(qū)域：飛行連續(xù)控制量顯示區(qū)、指令回報(bào)和模式顯示區(qū)、飛行儀表區(qū)、綜合狀態(tài)顯示區(qū)、起降信息顯示區(qū)、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)顯示區(qū)。飛行連續(xù)控制量顯示區(qū)顯示縱向周期變距、橫向周期變距、總距、尾距、風(fēng)門的當(dāng)前值和輸入值。指令回報(bào)和模式顯示區(qū)顯示飛行遙控的指令回報(bào)，如“飛行”和飛行控制器的當(dāng)前控制模式，如“垂直起降”。飛行儀表區(qū)顯示無(wú)人直升機(jī)當(dāng)前的滾轉(zhuǎn)角、俯仰角、無(wú)線電測(cè)量高度、超聲波測(cè)量高度。綜合狀態(tài)顯示區(qū)以指示燈的方式顯示鏈路和手柄的當(dāng)前工作狀態(tài)。起降信息顯示區(qū)用以顯示當(dāng)前無(wú)人直升機(jī)距離起降平臺(tái)的位置。

2.4 系統(tǒng)集成

圖8所示為系統(tǒng)集成示意圖。飛行控制器整體采用背負(fù)式設(shè)計(jì)。操作模塊和顯示模塊通過(guò)管式橫桿組合在一起，顯示模塊通過(guò)云臺(tái)固定在橫桿上。通過(guò)云臺(tái)的調(diào)整從而實(shí)現(xiàn)顯示模塊的俯仰和方位的微調(diào)。在實(shí)際使用中，操作手通過(guò)背帶將控制器置于胸前，以站姿或者坐姿進(jìn)行操作，手柄在其右側(cè)，顯示模塊在左側(cè)。

3 結(jié)束語(yǔ)

大中型無(wú)人直升機(jī)的試驗(yàn)試飛以及近場(chǎng)起降在一定程度上還無(wú)法完全擺脫人工操作的工作模式。在進(jìn)行人工操作方式的設(shè)計(jì)時(shí)，既要將操作員的操作準(zhǔn)確地輸入給無(wú)人直升機(jī)以獲得期望的響應(yīng)，又要盡力規(guī)避人為的無(wú)意識(shí)的操作而給無(wú)人直升機(jī)飛行帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。單手持桿輔以多功能顯示屏的參數(shù)輔助顯示的操作方式，可降低對(duì)操作員精細(xì)操作的要求，減弱傳統(tǒng)的雙手長(zhǎng)時(shí)間同時(shí)握桿的操作方式引起的誤操作，是降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)的重要方法之一。

本文首先分析了無(wú)人直升機(jī)的操作特點(diǎn)，給出了原飛行控制器的操作方式，針對(duì)其存在的不足提出改進(jìn)，設(shè)計(jì)出一套新型無(wú)人直升機(jī)便攜式飛行控制器。該飛行控制器采用單兵前背負(fù)式方式，左側(cè)布置顯控設(shè)備，右側(cè)為手柄，同時(shí)以手柄為主要輸入單元，輔以按鍵，彌補(bǔ)了原控制器控制模式單一、無(wú)法顯示遙測(cè)參數(shù)的不足。通過(guò)試驗(yàn)表明，該飛行控制器達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的，能更好地適應(yīng)當(dāng)前無(wú)人直升機(jī)的操作特點(diǎn)，可有效增強(qiáng)無(wú)人直升機(jī)飛行安全并降低對(duì)操作人員的要求，可為大中型無(wú)人直升機(jī)的起降控制設(shè)計(jì)提供參考。

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