中大型直升機無人化改裝技術(shù)及飛行驗證

袁豪放，童燕，吳智名，徐飛

西安聯(lián)飛智能裝備研究院有限責(zé)任公司

本文基于某型直升機無人化改裝的項目實踐，梳理總結(jié)直升機無人化改裝的技術(shù)難點，討論在直升機總體改裝過程中涉及的重要改裝設(shè)計工作，并對比無人化改裝的直升機地速保持飛行控制仿真結(jié)果和實際飛行測試結(jié)果，驗證改裝方案的合理性與正確性，對中大型直升機無人化改裝具有一定的參考價值和借鑒意義。

近年來，無人直升機因其具有垂直起降、懸停、任務(wù)載荷重量大、機動性強等諸多顯著優(yōu)點，在國際范圍內(nèi)越來越受到廣泛關(guān)注。

對于最大起飛重量大于500kg的中大型無人直升機研發(fā)的技術(shù)途徑，國外過去20年的經(jīng)驗表明，采用成熟的直升機現(xiàn)貨進行無人化改裝是快速和有效的手段，可以有效解決無人直升機平臺設(shè)計的問題，還可以縮短研制周期、降低研制風(fēng)險。

直升機無人化改裝難點

雖然采用成熟的直升機現(xiàn)貨進行無人化改裝是無人直升機研發(fā)的一條捷徑，但在實際改裝過程中仍存在許多技術(shù)難點。

原型機機載功能實現(xiàn)方式分析

由于原型機的控制是由駕駛員直接操作實現(xiàn)，因此首先需要解決無人直升機如何通過電控方式實現(xiàn)相同功能的問題。改裝時需要根據(jù)原型機的相關(guān)資料以及直升機實物，對有人駕駛模式的機載系統(tǒng)功能、接口定義進行全面分析。

高可靠性機載系統(tǒng)研制

相比于小型直升機，中大型直升機具有更高的價值，并通常掛載昂貴的任務(wù)載荷設(shè)備，所以在進行無人化改裝時，要求機載系統(tǒng)具有極高的可靠性。

無人直升機機載系統(tǒng)設(shè)計過程中，為防止某些關(guān)鍵系統(tǒng)故障導(dǎo)致核心功能的喪失，需要對這些關(guān)鍵系統(tǒng)進行冗余設(shè)計，以提高系統(tǒng)的可靠性，并通過非相似設(shè)計避免共模故障引起災(zāi)難性事故。

系統(tǒng)辨識和建模技術(shù)

直升機飛行動力學(xué)建模是無人直升機飛控系統(tǒng)研制的基礎(chǔ)。由于直升機是一個多變量、強耦合、非線性的控制對象，精確的理論運動模型參數(shù)難以確定，通常采用系統(tǒng)辨識的方法獲得直升機飛行動力學(xué)模型參數(shù)。

目前系統(tǒng)辨識技術(shù)可分為頻域和時域兩種，工程中一般采用頻域的方法獲得動力學(xué)模型參數(shù)，然后采用時域仿真對辨識模型進行驗證。

頻域辨識時首先根據(jù)原型機氣動參數(shù)確定一個初始的直升機動力學(xué)模型，然后控制直升機進行一系列規(guī)定動作對直升機進行激勵，最后將激勵所產(chǎn)生的響應(yīng)數(shù)據(jù)和初始動力學(xué)模型輸入到直升機系統(tǒng)辨識算法，獲得直升機動力學(xué)模型參數(shù)。

直升機振動的測量和規(guī)避

直升機發(fā)動機和旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動頻率低、振幅大，高振動水平將降低設(shè)備的工作性能，甚至導(dǎo)致設(shè)備非正常工作，例如低頻振動與飛控系統(tǒng)的控制頻帶接近，容易造成飛控系統(tǒng)發(fā)散，而大振幅振動容易使導(dǎo)航系統(tǒng)失效，導(dǎo)致無人直升機失去姿態(tài)、位置信號，造成災(zāi)難性事故。

因此，必須采取有效的振動控制措施把設(shè)備振動水平控制在合適的范圍，一般改裝時需要對直升機關(guān)鍵系統(tǒng)進行機械減震和軟件濾波，最大程度地減弱振動對系統(tǒng)的影響。

無人直升機總體改裝

無人化改裝的原型機是一架最大起飛重量為700kg、3槳葉、2座的直升機，旋翼直徑7.2m，由一臺最大功率106.7kW的“萊康明”O(jiān)-360（Lycoming O-360）活塞發(fā)動機提供動力。

在原型機上，駕駛員根據(jù)對周圍環(huán)境和飛行姿態(tài)的觀察和判斷，通過操縱桿和各種開關(guān)實現(xiàn)各機載系統(tǒng)和直升機運動的協(xié)同控制，但無人化改裝的過程中，這些動作將全部由各種傳感器、計算機和作動器所替代。

根據(jù)無人直升機的功能需求，對原型機的供電系統(tǒng)、發(fā)動機控制系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)、原型機重心、大氣系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈路、任務(wù)載荷等結(jié)構(gòu)和設(shè)備進行重新設(shè)計或改裝。

機載設(shè)備設(shè)計和加裝

為使無人直升機具備遙控控制、自動控制、導(dǎo)航定位和空地通信功能，拆除了原型機駕駛艙內(nèi)的座椅、儀表盤、安全帶和操縱桿系，從而減輕無人直升機空機重量，提高載重能力，并加裝飛控系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)和數(shù)據(jù)鏈等機載設(shè)備。各機載設(shè)備安裝位置如圖1所示。

圖1 機載設(shè)備安裝示意圖。

為提高無人直升機的安全性，關(guān)鍵機載設(shè)備如組合導(dǎo)航、飛控計算機、作動器等均采用非相似多余度設(shè)計，保證這些系統(tǒng)不會存在單點故障風(fēng)險，同時無人直升機不會因為共模故障而喪失飛行控制功能。

供電系統(tǒng)設(shè)計和改裝

如果說發(fā)動機是無人機的心臟，那么電源系統(tǒng)就是無人機的血液，電源系統(tǒng)的可靠性對無人機至關(guān)重要。

在原型機的改裝過程中，機載設(shè)備的總電功率增加較多，因此原配的發(fā)電機輸出功率已不能滿足要求。同時考慮到無人直升機的強振動環(huán)境和安全性要求，設(shè)計了冗余的供電系統(tǒng)架構(gòu)，保證在發(fā)動機或發(fā)電機故障時，飛控和導(dǎo)航系統(tǒng)仍然能夠控制作動器使無人直升機通過旋翼自轉(zhuǎn)下滑軟著陸，從而最大限度降低損失。改裝后的供電系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 供電系統(tǒng)改裝結(jié)構(gòu)示意。

重心位置分配

重心對直升機的穩(wěn)定和安全飛行至關(guān)重要。由于改裝需要拆除原型機自帶的座椅、儀表、駕駛桿系等設(shè)備，安裝很多機載設(shè)備，而且無駕駛員和乘客也會影響直升機原有的重心，因此在直升機無人化改裝時直升機重心改變很大。

通過量化計算的方式對各個拆除和加裝的部件進行分析，并通過實際測量確定改裝后的重心位置，保證重心位置在總體設(shè)計要求的范圍內(nèi)。

改裝前后平臺重心計算結(jié)果如圖3所示，其中藍色框為最大重心理論值范圍，紫色線為原型機在搭載駕駛員和乘客的情況下，隨著燃油余量變化時的重心范圍，紅色線為改裝后無人直升機隨著燃油余量變化時的重心范圍。由此看出，直升機改裝后的重心較改裝前向前移動了60～70mm，但仍然在最大重心理論值范圍內(nèi)，可以滿足總體要求。

圖3 改裝前后平臺重心范圍對比。

飛行控制算法仿真與驗證

使用頻域辨識的方法獲得原型機的動力學(xué)模型，然后在控制算法架構(gòu)設(shè)計和參數(shù)仿真調(diào)試的基礎(chǔ)上，在鐵鳥臺架上對機載設(shè)備軟硬件進行綜合測試，最后在實際飛行測試前期通過安裝防滾架和系留繩，并逐步放松軟件指令限制等方式，對飛行控制算法進行飛行驗證。

以地速保持為例，外部環(huán)境為無風(fēng)狀態(tài)，無人直升機初始在懸停狀態(tài)，隨后切換到6m/s地速保持模態(tài)。在實際飛行測試過程中，無人直升機按地面站發(fā)出的地速指令進入地速保持模式，通過遙測數(shù)據(jù)記錄實時地速數(shù)據(jù)。仿真結(jié)果和實際飛行測試效果對比見圖4。

從圖4對比結(jié)果看出，仿真數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)基本吻合，地速保持較平穩(wěn)，但從控制效果來看，無人直升機的響應(yīng)速度偏慢，原因是為了保證該機的安全，無人直升機控制律在調(diào)試階段對控制頻帶限制得比較嚴格。當(dāng)無人直升機測試結(jié)果足夠穩(wěn)定后，可以進一步放松控制頻帶和指令的限制，提高無人直升機的響應(yīng)速度和性能。

圖4 地速保持功能仿真與飛行測試結(jié)果。

通過對直升機的機載設(shè)備、供電系統(tǒng)、重心分配和控制算法等進行改裝設(shè)計，完成了無人化改裝工作，并通過桌面仿真、鐵鳥試驗和飛行試驗，驗證了改裝方案的合理性和正確性，對中大型直升機無人化改裝具有一定參考價值和借鑒意義。