無人直升機飛行控制技術(shù)研究

劉鍇 霍鵬飛

摘要：無人駕駛直升機擁有無人機和直升機共同的優(yōu)點，具有獨特的飛行能力，可以完成有人直升機無法完成的很多任務，在無人直升機工作的過程中，無需考慮到駕駛員的安全，所以很多危險的任務只能靠無人直升機去完成。這也意味著無人直升機的應用將會越來越廣泛，所產(chǎn)生的作用也將越來越重要。

關(guān)鍵詞：無人直升機;飛行控制;技術(shù)要點

中圖分類號：TH723

文獻標識碼：A

引言

無人直升機作為無人機體系中的重要分支，具有無人機與直升機的共同優(yōu)點，其在構(gòu)造形式上屬于旋翼飛行器，在飛行功能上屬于垂直起降飛行器，因其具有轉(zhuǎn)場靈活、空中懸停、垂直起降、低空低速性能、機動性和安全性高的特點，無人直升機在軍用領(lǐng)域既可完成通信中繼、對地攻擊、實施干擾以及戰(zhàn)損評估任務，又可完成偵查監(jiān)控、騙敵誘餌和校射等任務，適用于在野外場地、簡易機場以及艦船甲板等場地上起降。

1新型無人直升機的控制特點

1.1?共軸式風扇/?旋翼布局

無人直升機采用的是旋翼和風扇共軸式的布局，省去了傳統(tǒng)有人直升機的尾槳傳動結(jié)構(gòu)，這讓直升機的整體尺寸變小，結(jié)構(gòu)也較之前的更加簡單，安全系數(shù)也更高。以往直升機的故障多處于尾槳，沒有尾槳的無人直升機有著更高的安全系數(shù)。另外我們知道沒有尾槳的直升機現(xiàn)在只存在旋翼風扇和發(fā)動機兩種轉(zhuǎn)速，振源減少，這讓直升機的震動問題變得更加的簡單，沒有尾槳的直升機接觸氣流的面積較小，所以受到氣流的阻力也會變小。

1.2?機體多采用復合型材料

新型直升機的制造材料多是復合型的，所以整個直升機的重量很輕，遙控操作起來比較靈活;另外在雷達波的透射性在復合型材料中的穿透力比較好，能夠非常敏銳的撲捉到雷達所傳遞過來的信息;由于復合型材料的成本比較低，所以無人直升機的制造成本較低，更加具有環(huán)保的理念。

1.3?操縱機構(gòu)簡單化

在旋翼/風扇升力系統(tǒng)內(nèi)共有四個直線型電動舵機，其中一個直線型舵機是作用于風扇槳葉變距的，另外三個直線型舵機是作用于旋翼的，共同的控制總距，分開控制周期變距;另外，新型無人直升機的油箱是軸對稱的，所以它的燃油消耗不會影響機身的重心，讓無人直升機的遙控操作更加的簡單。

1.4?雙發(fā)動機

新型無人直升機采用的是雙發(fā)動機工作的模式，分為主副發(fā)動機，當主發(fā)動機啟動達到轉(zhuǎn)速六千之后，它會始終保持這個速度，副發(fā)動機則處于啟動怠速狀態(tài)。在直升機飛行的過程中，如果直升機所需要的功率大于直升機的額定功率，主發(fā)動機就需要將油門打到最大，另外副發(fā)動機加速到跟主發(fā)動機相同的六千轉(zhuǎn)速，若是額定功率大于所需功率，副發(fā)動機就出在啟動怠速的狀態(tài)，隨時準備啟動。如果在飛行的過程中，主發(fā)動機發(fā)生故障，副發(fā)動機會自動轉(zhuǎn)副為主，代替主發(fā)動機，為直升機提供充足的動力，保證直升機的正常飛行。

2無人直升機飛行控制技術(shù)要點

2.1?伺服舵機

伺服舵機飛行控制系統(tǒng)中占據(jù)著重要的地位，它是飛行系統(tǒng)正常運行的執(zhí)行機構(gòu)，它會根據(jù)上面所闡述的飛行計算機所發(fā)出的數(shù)據(jù)指令驅(qū)動舵然后實現(xiàn)控制系統(tǒng)對無人直升機的飛行控制。所以，伺服舵機的性能高低決定著整個飛行控制系統(tǒng)的性能，也直接決定無人直升機在空中飛行的狀態(tài)。伺服舵機分為三類：機電伺服舵機，電液伺服舵機和氣動伺服舵機，它是根據(jù)伺服舵機所使用的能源來劃分的，目前飛行控制系統(tǒng)中多使用的是機電和電液伺服舵機，因為氣動伺服舵機存在著氣體的壓縮性，難以控制。在飛行控制系統(tǒng)中，伺服舵機被設(shè)計成為一個位置伺服系統(tǒng)，所以伺服舵機的控制器主要是對直升機位置的信息進行調(diào)節(jié)和處理，再與相關(guān)部門合作實現(xiàn)對飛行中的直升機進行控制。

2.2智能或半自主飛行控制

智能是根據(jù)已有的信息，利用信息處理、形式語言、啟發(fā)式推理、記憶、學習和優(yōu)化決策等求解問題的答案，主要體現(xiàn)發(fā)現(xiàn)知識的能力，可以形象地認為智能是自主的“未成年期”。智能只是達到自主控制的手段，自主才是智能控制最終追求的目標。無人直升機的智能/半自主飛行控制就是利用傳感器及其信息融合技術(shù)，感知飛行參數(shù)和環(huán)境，不斷獲取信息以減小不確定性因素，從而做出最優(yōu)決策，實現(xiàn)自動飛行控制。智能或半自主飛行控制是基于信息驅(qū)動的閉環(huán)動態(tài)反饋飛行控制。

2.3無人直升機高可靠飛行控制系統(tǒng)技術(shù)

主要針對中、高端無人直升機，研究其高可靠的飛行控制系統(tǒng)技術(shù)，從傳感器、飛控計算機、執(zhí)行機構(gòu)以及飛行控制軟件等多個方面進行設(shè)計，余度結(jié)構(gòu)如何構(gòu)成，是否采用總線以及如何使用總線等等。主要包括：①無人直升機高可靠飛行控制系統(tǒng)硬件配置技術(shù);②高可靠飛行控制系統(tǒng)的傳感器配置技術(shù);③高可靠飛行控制系統(tǒng)的余度飛控計算機配置技術(shù);④高可靠飛行控制系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)配置技術(shù);⑤高可靠飛行控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境和實現(xiàn)技術(shù)。

2.4自主群體飛行控制

（1）無人直升機綜合飛行控制技術(shù)

無人直升機綜合飛行控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)從三個層面上實現(xiàn)：第一個層面（原始信息傳感器等底層硬件）：處理作為系統(tǒng)組成部分的傳感器輸入信號，進行信息融合，并沿數(shù)據(jù)通道送到上層綜合飛控制系統(tǒng)的計算部分;將上層控制經(jīng)執(zhí)行機構(gòu)輸出，同時進行周期性檢測。第二層面（導航、控制）：對來自底層輸入信號進行處理和決策，實現(xiàn)容錯控制、模態(tài)調(diào)度和飛行控制邏輯管理，導航和控制算法計算，向系統(tǒng)輸出控制信號。第三層面（管理、協(xié)調(diào)、規(guī)劃和決策）：協(xié)調(diào)、管理和控制無人機各機載子系統(tǒng)，在線任務規(guī)劃和實時控制，實現(xiàn)重構(gòu)控制規(guī)劃和故障管理等。先進的綜合飛行控制系統(tǒng)應采取層階分解、開放的、彈性的控制結(jié)構(gòu)，在可變自主權(quán)限的決策、管理和控制的基礎(chǔ)上，面向任務、面向效能提供最大的功能可拓展性。綜合控制技術(shù)的挑戰(zhàn)，在某種程度上，代表了無人直升機飛行控制技術(shù)所面臨的技術(shù)難題。只有在大系統(tǒng)的概念下，綜合應用魯棒、自適應和智能控制等控制思想和方法以及先進的飛行控制技術(shù)，才可能真正發(fā)揮出無人直升機技術(shù)的綜合效能和較低全壽命周期成本的潛力。

（2）智能重構(gòu)飛行控制技術(shù)

在故障檢測和辨識的基礎(chǔ)上，采用主動容錯控制技術(shù)，充分利用控制系統(tǒng)的功能冗余來進行飛行控制律的重構(gòu)，使飛行器能適應故障或特殊任務環(huán)境。因此，可重構(gòu)飛行控制技術(shù)可以降低對飛控系統(tǒng)硬件余度的要求，允許飛行器在出現(xiàn)大范圍故障和戰(zhàn)斗損傷的情況下，仍能保證一定的飛行性能。主要包括：①?不確定性環(huán)境下智能故障診斷和容錯控制技術(shù);②?飛行控制律實時性重構(gòu)技術(shù);③重構(gòu)控制中的魯棒性分析與綜合技術(shù);④?故障檢測器與重構(gòu)控制器的集成設(shè)計技術(shù)。

（3）無人直升機通用實時仿真技術(shù)

研究適合未來無人直升機飛行控制仿真驗證的通用軟件和硬件體系架構(gòu)，并融合視景仿真技術(shù)，構(gòu)建無人直升機飛行控制系統(tǒng)的硬件在環(huán)和操縱手在環(huán)的實時半物理仿真系統(tǒng)，從而降低無人直升機系統(tǒng)的研制和試飛風險，減小無人直升機的研制成本。主要包括：①?無人直升機高置信度建模技術(shù);②?無人直升機通用仿真平臺的軟/硬件體系和實現(xiàn)技術(shù);③?無人直升機硬件在環(huán)/人在環(huán)實時半物理仿真技術(shù);④?無人直升機高逼真度視景仿真技術(shù)。

結(jié)束語

無人直升機因為其獨特的操作系統(tǒng)能夠完成傳統(tǒng)直升機無法完成的任務，所以它在軍事領(lǐng)域或者其他相關(guān)領(lǐng)域的作用越來越大，它的控制技術(shù)也將會越來越完善。無人直升機的飛行控制系統(tǒng)將在運用的過程中逐漸改進，不斷適應所在的科技環(huán)境，能夠讓無人直升機發(fā)揮著更大的功效，為世界的各個領(lǐng)域帶來福音。

參考文獻

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[3]賴水清，陳傳琪，張思，單俊杰.無人直升機自主飛行控制技術(shù)[J].直升機技術(shù)，2013（02）：65-71.作者簡介：劉鍇，1988.09，籍貫：山東魚臺人，民族：漢族，本科學歷，工程師，研究方向：飛行控制系統(tǒng)設(shè)計