小型無(wú)人直升機(jī)的飛行控制系統(tǒng)研究

侯鳴捷 孫雪原

（陸軍航空兵學(xué)院航空機(jī)務(wù)技術(shù)與指揮 北京 101116）

在直升機(jī)的整個(gè)結(jié)構(gòu)中，最重要的也是最核心的部分就是小型無(wú)人直升機(jī)的飛行控制系統(tǒng)，直升機(jī)的其他功能需要在擁有良好的飛行的基礎(chǔ)上才能正常運(yùn)作。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，技術(shù)人員們遇到的最常見(jiàn)的難題就是有關(guān)飛行控制方面的，這一問(wèn)題的出現(xiàn)對(duì)技術(shù)人員們的設(shè)計(jì)速度會(huì)產(chǎn)生比較明顯的影響，所以著手分析并且解決這一問(wèn)題是我們目前比較首要的任務(wù)。

1 小型無(wú)人直升機(jī)飛機(jī)控制特性分析

1.1 建模過(guò)程

外界不可預(yù)測(cè)的氣流會(huì)影響到小型無(wú)人直升機(jī)的正常飛行；除此之外，由于超小型無(wú)人直升機(jī)所采用的材料具有小體積、小質(zhì)量且容易變形的特點(diǎn)，所以想要建立準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)模型并不容易。想要較為繁瑣的旋翼數(shù)學(xué)模型能夠被準(zhǔn)確的建立，就要求具有較強(qiáng)的魯棒性和弱相關(guān)性模型要被旋翼控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)出來(lái)。

1.1.1 欠驅(qū)動(dòng)

欠驅(qū)動(dòng)性指的是無(wú)人直升機(jī)的飛行控制系統(tǒng)由于其六個(gè)空間運(yùn)動(dòng)度的影響，具有嚴(yán)重的缺陷。欠驅(qū)動(dòng)性在無(wú)人直升機(jī)中得以體現(xiàn)，這是由于旋翼轉(zhuǎn)速擁有很少的的控制輸入量，它不能準(zhǔn)確完整的反映其線性變化，所以無(wú)人直升機(jī)的飛行才比較難以控制，設(shè)計(jì)飛行控制系統(tǒng)的過(guò)程也顯得更加復(fù)雜化。通常情況下，倘若一個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較單一，那么它可以用于研究欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

1.1.2 強(qiáng)耦合

耦合特性在小型無(wú)人直升機(jī)中也有所體現(xiàn)，且耦合程度較強(qiáng)，小型無(wú)人直升機(jī)的輸出六個(gè)自由度需要被多個(gè)輸入控制，且輸出端自由度的變化受輸入端旋翼的轉(zhuǎn)速的變化的影響，比如：固定其他三個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速，使旋翼左旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速逐漸增大，飛機(jī)可能會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)或者向右平移，這是因?yàn)樾砝Τ霈F(xiàn)差值。

1.2 外界環(huán)境對(duì)其產(chǎn)生較大影響

小型無(wú)人直升機(jī)在空中飛行時(shí)，避免不了會(huì)受外界環(huán)境的影響，比如：風(fēng)向、風(fēng)力等，這些外部條件都可能會(huì)影響到直升機(jī)的正常飛行，尤其對(duì)于小體積、小質(zhì)量、小速度的超小型無(wú)人直升機(jī)的影響更為嚴(yán)重。想要使得無(wú)人機(jī)能夠不被外部條件所干擾，可以在空中保持正常、平穩(wěn)的飛行狀態(tài)，僅僅依靠設(shè)計(jì)自適應(yīng)能力強(qiáng)的飛行控制這一方法并不可以做到將外部環(huán)境干擾完全阻擋，我們需要以分析飛行過(guò)程中的非線性力學(xué)特性和時(shí)變氣動(dòng)特性為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)飛行控制系統(tǒng)，才能做到無(wú)人機(jī)能夠不再受外部環(huán)境的影響，按照我們預(yù)先規(guī)劃好的路線穩(wěn)定的完成飛行。

2 小型無(wú)人直升機(jī)飛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)學(xué)建模

想要準(zhǔn)確的建立數(shù)學(xué)模型，需要尋找依據(jù)，我們只有清楚了解直升機(jī)在各種環(huán)境下的飛行狀態(tài)，掌握旋翼的特性，很好的控制直升飛機(jī)。我們可以建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型，這個(gè)模型是與直升機(jī)旋翼的控制有關(guān)的，直升機(jī)的旋翼的多種動(dòng)力學(xué)特性在前文已經(jīng)有所討論，所以我們可以著手對(duì)其中存在的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行研究分析。理論推導(dǎo)法和實(shí)驗(yàn)辨識(shí)法是我們?cè)跀?shù)學(xué)建模的過(guò)程中比較常用的兩種方法，而前者由于其約束條件簡(jiǎn)單且建模速度較快的特點(diǎn)，已經(jīng)是我們目前最經(jīng)常使用的到的建模方法，這種方法主要是在現(xiàn)實(shí)中做實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)中得到有關(guān)的數(shù)據(jù)，這里面利用了系統(tǒng)辨識(shí)的方法。而理論推導(dǎo)法指的是通過(guò)科學(xué)準(zhǔn)確的計(jì)算，得到一個(gè)數(shù)學(xué)模型，它可以是線性，也可以是非線性的。

2.2 飛行控制方法

針對(duì)小型無(wú)人直升機(jī)的飛行有多種控制方法，例如：PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、反步法等等。其中研究的相對(duì)深入的是PID單通道飛行控制系統(tǒng)，它實(shí)現(xiàn)起來(lái)不困難，但是它操控起來(lái)很麻煩，并且其體積較大，不容易攜帶，飛機(jī)螺旋槳處的性能也會(huì)受其魯棒性和解耦性的影響。隨著時(shí)代的進(jìn)步，科級(jí)的發(fā)展，許多智能化的技術(shù)頻頻出現(xiàn)，PID系統(tǒng)中也經(jīng)常見(jiàn)到新興的技術(shù)。這種系統(tǒng)可以更好的保持飛機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，可以做到很好的控制整個(gè)飛機(jī)，對(duì)于一些需要更精準(zhǔn)嚴(yán)格的反饋控制的系統(tǒng)更為適合。

3 無(wú)人直升機(jī)在軍事方面的應(yīng)用

在軍事領(lǐng)域，無(wú)人直升機(jī)的應(yīng)用更為廣泛，由于無(wú)人直升機(jī)的出現(xiàn)，給我們帶來(lái)了很多的便利。無(wú)人直升機(jī)擁有比較強(qiáng)的生存能力，且便于維護(hù)、修復(fù)，在作戰(zhàn)時(shí)它可以幫助我們?nèi)サ胶芪ｋU(xiǎn)的地方探測(cè)，這可以大大降低人的死亡率，可以替代有人的直升機(jī)完成一些我們完成不了的任務(wù)。它可以被應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)偵察，可以檢測(cè)到不同環(huán)境下各種狀態(tài)的目標(biāo)，增強(qiáng)我們的作戰(zhàn)能力，有利于之后的戰(zhàn)事分析。它可以被應(yīng)用于中繼通信，當(dāng)作戰(zhàn)區(qū)域比較偏僻、隱蔽、作戰(zhàn)時(shí)的交流比較困難時(shí)，無(wú)人機(jī)可以幫助我們完成通信，及時(shí)準(zhǔn)確的收到作戰(zhàn)指揮，以免延誤戰(zhàn)情。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著科技的不斷進(jìn)步，上文提出的無(wú)人直升機(jī)存在的問(wèn)題都會(huì)被逐一解決，在之后的研究中，我們可以更好的將各種功能集中到一個(gè)模塊內(nèi)，增強(qiáng)其性能。無(wú)人機(jī)在軍事領(lǐng)域應(yīng)用的十分廣泛，航空產(chǎn)業(yè)是不可忽視的，這有利于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，我國(guó)也一定會(huì)繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行研究、優(yōu)化，制定更加詳細(xì)的計(jì)劃，使其作戰(zhàn)能力增強(qiáng)，減少其制作成本，操作更加簡(jiǎn)單、快捷。