無人直升機(jī)動(dòng)力裝置及其控制系統(tǒng)研究概述

賀薇

航空工業(yè)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所

無人直升機(jī)在軍用和民用領(lǐng)域中占據(jù)著不可或缺的作用，而其動(dòng)力系統(tǒng)的控制則是影響無人直升機(jī)性能的重要因素。本文針對(duì)不同類型無人直升機(jī)配裝的電動(dòng)機(jī)、航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了介紹，并對(duì)各動(dòng)力裝置的控制系統(tǒng)研究及其發(fā)展方向進(jìn)行了分析。

無人機(jī)是在地面操控飛行或自主控制飛行，包含地面遙控系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的無人飛行器。無人直升機(jī)作為無人機(jī)的一種，相較于固定翼無人機(jī)，具有可垂直起降、起降距離短、可空中懸停等優(yōu)勢(shì)，主要運(yùn)用于偵察、目標(biāo)截獲打擊、物資運(yùn)輸?shù)溶娛掠猛荆约昂脚挠^光、農(nóng)業(yè)植保、快遞物流、資源勘探等民用領(lǐng)域。

無人直升機(jī)主要采用電動(dòng)機(jī)、活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)和航空渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力來源。電動(dòng)無人直升機(jī)主要采用鋰電池、氫燃料電池等驅(qū)動(dòng)，由于電池本身特點(diǎn)，存在續(xù)航能力弱、維護(hù)成本高等缺點(diǎn)，主要用于微小型無人直升機(jī)；航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)主要通過活塞壓縮氣體做功輸出動(dòng)力帶動(dòng)槳葉，具有經(jīng)濟(jì)性好、低空性能好、功重比低等特點(diǎn)，廣泛用于低空較大重量的低速無人直升機(jī)上；航空渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)作為燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的一種，通過自由渦輪連續(xù)做功輸出軸功率帶轉(zhuǎn)旋翼，具有輸出功率大、高空高速性能好等特點(diǎn)，主要配裝大型無人直升機(jī)?；诓煌膭?dòng)力裝置，其控制系統(tǒng)也存在顯著差異。本文將基于動(dòng)力裝置及其控制系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展進(jìn)行分析。

電動(dòng)機(jī)

電動(dòng)系統(tǒng)由電池、電機(jī)和電子調(diào)速器組成，直接驅(qū)動(dòng)或通過傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)主旋翼及尾槳。為電機(jī)提供能源的電池主要為鋰聚合物電池或氫燃料電池。其中，鋰電池功率密度高、能量密度低，目前廣泛應(yīng)用于無人直升機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)中，而能量密度高的氫燃料電池則是有望提高電動(dòng)無人機(jī)續(xù)航能力的利器。電機(jī)可采用無刷直流電機(jī)、永磁交流同步電機(jī)等，在運(yùn)行過程中，電能的輸出功率或輸出效率由所需軸功率、轉(zhuǎn)速或扭矩以及其他運(yùn)行環(huán)境條件決定，可通過分析手段得到較為精確的線性模型。

表1 無人直升機(jī)主要?jiǎng)恿ρb置類型及特點(diǎn)。

電機(jī)和控制器建模有兩種主要方法：功率損耗方法和等效電路方法。功率損耗方法是在電動(dòng)機(jī)和控制器內(nèi)基于其基礎(chǔ)物理模型或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)每個(gè)物理功率損耗量進(jìn)行建模，等效電路方法則是通過熟悉的電子元件組成簡(jiǎn)化的電路代替電動(dòng)機(jī)和控制器建模?；诓煌姍C(jī)控制系統(tǒng)有不同的控制方法，王書禮等專家提出對(duì)無刷直流電機(jī)采用電流和轉(zhuǎn)速的PID雙閉環(huán)控制方法，起動(dòng)過程具有響應(yīng)快、無超調(diào)、速度平穩(wěn)等特點(diǎn)。Bolognani等對(duì)永磁同步電機(jī)應(yīng)用了電流和轉(zhuǎn)速組合控制的模型預(yù)測(cè)控制MPC算法，MPC在限制電流和電壓限制、限制扭矩?cái)_動(dòng)效應(yīng)上表現(xiàn)出色，但也存在臨界狀態(tài)穩(wěn)定性差等不足。

對(duì)于電動(dòng)機(jī)的控制主要是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定和高效的電能輸出。而電動(dòng)無人直升機(jī)不僅需要穩(wěn)定的飛行性能，還需要更長(zhǎng)航時(shí)、更遠(yuǎn)航程及更高升限，電動(dòng)無人直升機(jī)的發(fā)展將大程度基于電池技術(shù)的發(fā)展革新。

以色列Steadicopter公司研發(fā)的Black Eagle 50是由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的無人直升機(jī)，可搭載的有效載荷為5kg，該無人系統(tǒng)已被以色列民航局 (CAAI) 授權(quán)在民用空域進(jìn)行商業(yè)使用。在國(guó)內(nèi)，D-50是由北航直升機(jī)研究所自主研發(fā)的電動(dòng)共軸無人直升機(jī)，采用了12S鋰電池，已于2018年3月完成首飛，最大起飛重量達(dá)60kg。EH-3無人直升機(jī)由北方天途自主研發(fā)，采用鋰聚合物電池驅(qū)動(dòng)，最大起飛重量16kg。

航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)

以色列Steadicopter 公司研發(fā)的Black Eagle 50 無人直升機(jī)。

AR500C無人直升機(jī)已完成高原首飛。

航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)具有經(jīng)濟(jì)性高、油耗低、低速性能高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于各型動(dòng)力設(shè)備中。航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)主要采用汽油或重油（輕質(zhì)柴油或航空煤油）作為燃料。由航空工業(yè)直升機(jī)所研制設(shè)計(jì)的AR500C無人直升機(jī)采用汽油作為燃料，以活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，最大起飛重量為500kg，最大起飛高度5000m，使用升限6700m，是國(guó)內(nèi)首款高原型無人直升機(jī)?？?137是由俄羅斯卡莫夫飛機(jī)設(shè)計(jì)局研制的共軸雙旋翼多用途無人直升機(jī)，采用赫斯2706-R05活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，功率50kW，升限5000m，續(xù)航時(shí)間4h，有效載荷80kg，可用于巡邏、偵察、應(yīng)急、森林防火等軍用和民用領(lǐng)域。

廣泛使用的傳統(tǒng)活塞式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，由于汽油閃點(diǎn)低、易揮發(fā)，易于在缸內(nèi)點(diǎn)燃，一般采用化油器、火花塞點(diǎn)火等燃燒控制技術(shù)。因?yàn)橹赜拖噍^于汽油，密度和閃點(diǎn)更高、高空性能更穩(wěn)定、安全性更高、通用性更強(qiáng)，活塞式重油發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用前景更為廣闊，但同時(shí)重油也存在著霧化性能差、抗爆性較差、點(diǎn)火較為困難等問題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)以上問題開展了大量研究。重油航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)通過采用空氣輔助噴射、缸內(nèi)直噴等技術(shù)提高其點(diǎn)火性能；通過優(yōu)化控制器算法，控制起動(dòng)油量，改善冷起動(dòng)性能。

活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)通過渦輪增壓、缸內(nèi)直噴、動(dòng)態(tài)點(diǎn)火控制等關(guān)鍵技術(shù)提高其燃燒特性、降低發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率，通過電控系統(tǒng)控制策略和控制參數(shù)的優(yōu)化，進(jìn)一步提高活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其是燃用重油的動(dòng)力性能。

航空渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)

波音的A160T“蜂鳥”無人直升機(jī)旨在為地面部隊(duì)提供戰(zhàn)場(chǎng)支持，升限達(dá)約9000m，配備一臺(tái)普惠PW207D渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，該無人直升機(jī)在2002年首飛，2012年被美軍放棄。CL327“衛(wèi)士”無人直升機(jī)由加拿大龐巴迪研制，最大起飛重量為350kg，由一臺(tái)威廉姆斯WTS-125渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，主要用于巡邏、偵察和信息傳輸。

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)作為渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的一種，其氣動(dòng)熱力過程、機(jī)體結(jié)構(gòu)等同等復(fù)雜。發(fā)動(dòng)機(jī)在全包線范圍運(yùn)行時(shí)能否達(dá)到給定狀態(tài)最佳推力和耗油率，很大程度上取決與其控制計(jì)劃及控制系統(tǒng)。其控制系統(tǒng)有機(jī)械液壓式控制系統(tǒng)、機(jī)械電子混合控制系統(tǒng)和全權(quán)限數(shù)字式電子控制系統(tǒng)（FADEC）三種類型。其中FADEC系統(tǒng)主要由電子控制器（EECU）、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及被控對(duì)象等部分組成。EECU是FADEC的核心組成，EECU需實(shí)時(shí)獲取發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，并通過內(nèi)部算法和邏輯進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的最優(yōu)控制。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程氣動(dòng)熱力耦合且其工作環(huán)境差異大，其傳遞函數(shù)和狀態(tài)方程復(fù)雜，發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)通過采用控制算法進(jìn)行求解，從PID控制、最優(yōu)控制算法發(fā)展到模糊控制算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等智能控制方法，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的魯棒性和實(shí)時(shí)性。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)高性能建模仿真平臺(tái)和技術(shù)也不斷進(jìn)步，如MATLAB/SIMULINK、基于模型的設(shè)計(jì)（MBD）和快速控制原型（RCP）等，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)性能，降低發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)難度和設(shè)計(jì)成本。

隨著其他學(xué)科的發(fā)展及技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)不同控制算法進(jìn)行了改進(jìn)。為優(yōu)化PID控制算法，提出了基于蟻群算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確定PID最優(yōu)控制參數(shù)，提高PID控制器設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)效率?；谀：刂扑惴ê投嗄繕?biāo)遺傳算法開發(fā)了包含慢車、巡航、大功率的全包線控制器，與原控制器相比減少了超調(diào)量和穩(wěn)定時(shí)間。

CL327“衛(wèi)士”無人直升機(jī)主要用于巡邏、偵察和信息傳輸。

當(dāng)前航空發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)還采用分布式控制、主動(dòng)控制等，利用智能的控制算法和更先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理器，提高控制系統(tǒng)性能。數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）是一種微型處理器芯片，可高速實(shí)時(shí)處理數(shù)值信號(hào)，廣泛運(yùn)用于音頻信號(hào)處理、數(shù)字圖像處理等系統(tǒng)中。南京航空航天大學(xué)的張?zhí)旌甑忍岢鲆环N基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和控制器局域網(wǎng)(CAN)總線的電子控制器核心電路模塊的設(shè)計(jì)方案，采用相似PID算法，可作為飛/推綜合控制、分布式控制等核心電路模塊使用，具有靈活性好、計(jì)算能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、數(shù)據(jù)傳輸速度快、通信可靠等特點(diǎn)。NASA格倫研究中心的Culley等提出了一種在渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)上使用部分分布式發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的集中式結(jié)構(gòu)，其中FADEC、燃料輸送單元（FDU）、機(jī)上健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng)之間通過數(shù)字通信傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)，其余傳感器和執(zhí)行器連接到以上4個(gè)主要控制系統(tǒng)之一，減輕了設(shè)備重量，提高了系統(tǒng)模塊化和靈活性，降低了維護(hù)成本。

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)控制的發(fā)展需通過先進(jìn)的電子硬件、靈敏的作動(dòng)器系統(tǒng)提高FADEC系統(tǒng)硬件的可靠性，并通過先進(jìn)的控制邏輯和設(shè)計(jì)方法提高FADEC控制品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的智能化和綜合化。

總結(jié)與展望

無人直升機(jī)根據(jù)其多應(yīng)用場(chǎng)景功能性能要求，采用電動(dòng)、航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)及渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。隨著技術(shù)的發(fā)展，其動(dòng)力裝置形式也將不斷豐富，如在固定翼無人機(jī)和載人直升機(jī)已有運(yùn)用的混合動(dòng)力，未來無人直升機(jī)也將在混合動(dòng)力領(lǐng)域有所涉及，提高動(dòng)力裝置的燃油經(jīng)濟(jì)性、提高續(xù)航時(shí)間。而各型動(dòng)力裝置的控制系統(tǒng)將隨著先進(jìn)控制算法、高性能數(shù)據(jù)處理器的發(fā)展朝著更智能的趨勢(shì)發(fā)展。 ■