無(wú)人直升機(jī)自轉(zhuǎn)著陸功能設(shè)計(jì)

王志敏 王青林 黃賢開(kāi)

摘要：文章以單旋翼帶尾槳的小型無(wú)人機(jī)作為對(duì)象，研究發(fā)動(dòng)機(jī)在空中停車時(shí)的安全著陸問(wèn)題。根據(jù)直升機(jī)自轉(zhuǎn)飛行的經(jīng)驗(yàn)，將自轉(zhuǎn)著陸分成3個(gè)階段，為無(wú)人直升機(jī)設(shè)計(jì)了自轉(zhuǎn)著陸功能。為了使直升機(jī)觸地速度降到最低，多次使用軟化控制指令，并且巧妙地設(shè)計(jì)軟化因子。實(shí)驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)自轉(zhuǎn)著陸功能能夠使無(wú)人直升機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)停車的情況下安全著陸。研究成果對(duì)無(wú)人直升機(jī)的自轉(zhuǎn)著陸問(wèn)題有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：無(wú)人直升機(jī)；自轉(zhuǎn)著陸；飛行控制；半物理仿真

中圖分類號(hào)：V249文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

自轉(zhuǎn)是直升機(jī)特有的飛行狀態(tài)。當(dāng)直升機(jī)處于自轉(zhuǎn)狀態(tài)下，槳葉的旋轉(zhuǎn)不再依賴發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，而是由自下而上的來(lái)流形成的空氣動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。通常發(fā)生以下情況時(shí)，直升機(jī)可采用自轉(zhuǎn)飛行的方式安全著陸：（1）發(fā)動(dòng)機(jī)或傳動(dòng)系統(tǒng)故障，無(wú)法為旋翼提供動(dòng)能；（2）尾槳失效，無(wú)法平衡旋翼的反扭矩；（3）進(jìn)行直升機(jī)陡降飛行科目中，避免進(jìn)入渦環(huán)狀態(tài)［1-3］。

在有人直升機(jī)中，飛行員可以通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的模擬訓(xùn)練，熟練掌握自轉(zhuǎn)著陸操作，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在空中停車時(shí)，飛行員能夠根據(jù)當(dāng)前飛行狀況，迅速進(jìn)行相應(yīng)的操作，使直升機(jī)進(jìn)入自轉(zhuǎn)下滑狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)安全著陸［4］。而對(duì)于無(wú)人直升機(jī)來(lái)說(shuō)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行過(guò)程中突然失效時(shí)，如果沒(méi)有自轉(zhuǎn)著陸功能，最直接的影響就是飛機(jī)墜毀，同時(shí)，還有可能對(duì)地面建筑以及地面人員造成傷害［5］。因此，開(kāi)發(fā)無(wú)人直升機(jī)的自轉(zhuǎn)著陸功能十分必要。

想要無(wú)人直升機(jī)具備自轉(zhuǎn)下滑能力，一方面，直升機(jī)本身需要具備良好的自轉(zhuǎn)性能；另一方面，在飛控計(jì)算機(jī)上需要開(kāi)發(fā)可靠的自轉(zhuǎn)著陸功能［6］。本文以單旋翼帶尾槳的小型無(wú)人直升機(jī)作為研究對(duì)象，根據(jù)有人直升機(jī)自轉(zhuǎn)著陸的過(guò)程和要求，為無(wú)人直升機(jī)設(shè)計(jì)自轉(zhuǎn)著陸功能，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 自轉(zhuǎn)著陸過(guò)程

圖1為有人直升機(jī)自轉(zhuǎn)著陸過(guò)程，整個(gè)過(guò)程通常可以分為以下3個(gè)階段［7-10］。

（1）建立自轉(zhuǎn)階段。

這一階段（圖1中的①）開(kāi)始于發(fā)動(dòng)機(jī)停車后，飛行員應(yīng)當(dāng)在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行操作，應(yīng)迅速將總距降至最低，使旋翼盡可能快地儲(chǔ)存能量，并操縱橫向駕駛桿和腳蹬，防止直升機(jī)因發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力突然消失后扭轉(zhuǎn)距不平衡導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)操縱縱向駕駛桿，使直升機(jī)進(jìn)入自轉(zhuǎn)下滑狀態(tài)。

（2）穩(wěn)定下滑階段。

在穩(wěn)定下滑階段（圖1中的②），飛行員應(yīng)該操縱總距，控制旋翼轉(zhuǎn)速在一個(gè)穩(wěn)定的區(qū)間，同時(shí)進(jìn)行其他操作以保持直升機(jī)的姿態(tài)穩(wěn)定。

（3）減速著陸階段。

當(dāng)直升機(jī)下滑至一定高度后，飛行員應(yīng)向后拉桿使直升機(jī)抬頭減速（如圖1中的③）。當(dāng)直升機(jī)接近地面時(shí)，飛行員應(yīng)立即提距，利用旋翼中的剩余能量來(lái)減小下降率（如圖1中的④），在飛機(jī)接觸地面后，應(yīng)立即釋放總距，保證著陸安全。

在有人直升機(jī)飛行過(guò)程中，駕駛艙中飛行員的操作對(duì)飛機(jī)的飛行起著決定性因素，機(jī)上的飛控系統(tǒng)起輔助作用［11］。而在無(wú)人直升機(jī)的試飛過(guò)程中，飛機(jī)根據(jù)地面測(cè)控站發(fā)送的指令以及機(jī)上各種傳感器的信號(hào)自動(dòng)計(jì)算并給予舵機(jī)輸出，控制無(wú)人直升機(jī)自主飛行。一般無(wú)人直升機(jī)試飛時(shí)都配備一個(gè)操作手，操作手的功能主要有兩個(gè)：一是在大風(fēng)等惡劣天氣的情況下幫助無(wú)人直升機(jī)起降；二是飛機(jī)不響應(yīng)指令或指令響應(yīng)不正常時(shí)幫助無(wú)人直升機(jī)緊急降落。地面操作手的作用十分有限，無(wú)法像有人機(jī)中的飛行員一樣能直接感受到飛機(jī)姿態(tài)的變化，難以進(jìn)行高難度的飛行。因此，當(dāng)無(wú)人直升機(jī)在空中飛行時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)突然失去動(dòng)力，只能通過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)的自轉(zhuǎn)著陸程序控制無(wú)人直升機(jī)自轉(zhuǎn)飛行并安全著陸。

2 無(wú)人直升機(jī)自轉(zhuǎn)著陸功能設(shè)計(jì)

2.1 建立自轉(zhuǎn)階段

建立自轉(zhuǎn)階段的控制流程如圖2所示。當(dāng)無(wú)人機(jī)在空中因發(fā)動(dòng)機(jī)停車等因素需要進(jìn)行自轉(zhuǎn)著陸時(shí)，應(yīng)首先退出當(dāng)前的導(dǎo)航模態(tài)和飛行模態(tài)，確保自轉(zhuǎn)著陸能夠正常進(jìn)行；接著斷開(kāi)高度通道控制，并且將總距降低至最低；同時(shí)，將橫向通道、縱向通道以及航向通道轉(zhuǎn)為內(nèi)環(huán)控制，在第一時(shí)間控制住飛機(jī)的姿態(tài)。

2.2 穩(wěn)定下滑階段

穩(wěn)定下滑階段的控制流程如圖3所示。進(jìn)入穩(wěn)定下滑階段后，縱向通道需要接通速度控制。由于直升機(jī)以經(jīng)濟(jì)巡航速度飛行時(shí)，對(duì)旋翼能量的消耗最?。?2］，因此，給定的縱向速度指令應(yīng)為經(jīng)濟(jì)巡航速度。與此同時(shí)，開(kāi)啟旋翼轉(zhuǎn)速控制，防止旋翼超轉(zhuǎn)，旋翼轉(zhuǎn)速控制器可使用傳統(tǒng)的PI控制器，通過(guò)調(diào)節(jié)總距達(dá)到控制旋翼轉(zhuǎn)速的效果，使直升機(jī)在下滑過(guò)程中保持穩(wěn)定的旋翼轉(zhuǎn)速，當(dāng)直升機(jī)下滑至一定高度h1時(shí)結(jié)束穩(wěn)定下滑階段，h1可以通過(guò)仿真設(shè)置一個(gè)合理的值，下文中提到的h2同理。

2.3 減速著陸階段

減速著陸階段的控制流程如圖4所示。根據(jù)上述描述的自轉(zhuǎn)著陸過(guò)程，在減速著陸階段，需要快速降低縱向速度和垂向速度。樣例無(wú)人機(jī)使用PID控制器控制縱向速度，如果只是給定速度指令，在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法將速度降低至目標(biāo)值，而用增加控制系數(shù)方法提高響應(yīng)速度，又會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重超調(diào)，影響飛行安全。因此，通過(guò)改變飛機(jī)俯仰的方式降低縱向速度，當(dāng)縱向速度降低至安全著陸速度時(shí)再調(diào)整好飛機(jī)姿態(tài)。調(diào)整飛機(jī)姿態(tài)的過(guò)程中給俯仰角指令進(jìn)行軟化，防止因指令突變引起振蕩。軟化公式如下：

縱向速度減下來(lái)后，還應(yīng)利用旋翼儲(chǔ)存的剩余能量降低垂向速度。理想情況下應(yīng)該是飛機(jī)接觸到地面時(shí)，速度正好減到0或者是很小的值。過(guò)早地減速會(huì)導(dǎo)致直升機(jī)在高空中已經(jīng)消耗掉了旋翼全部的能量，然后加速下落；而減速過(guò)晚則會(huì)導(dǎo)致直升機(jī)在接觸地面時(shí)仍有較大的下降速度，這兩種情況均會(huì)導(dǎo)致直升機(jī)受損。當(dāng)直升機(jī)開(kāi)始提距降低垂向速度時(shí)，我們記錄當(dāng)前的飛行高度以及垂向速度，將垂向速度指令的軟化因子設(shè)置為直升機(jī)做勻加速運(yùn)動(dòng)降落至地面且速度正好等于0時(shí)的加速度，即：

同時(shí)，適當(dāng)增加控制系數(shù)，提高控制器的響應(yīng)速度，使得直升機(jī)的垂向速度能夠較快地跟隨速度指令的變化而變化。當(dāng)直升機(jī)接觸到地面時(shí)，將總距迅速降低至最低，完成自轉(zhuǎn)著陸。

3 仿真結(jié)果

以飛控計(jì)算機(jī)為核心搭建半物理仿真環(huán)境，對(duì)自轉(zhuǎn)著陸功能進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果如圖5所示，因涉及商業(yè)秘密，將實(shí)驗(yàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)隱去。從圖5中可以知道，直升機(jī)大概在109.7 s處發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車，隨后旋翼開(kāi)始掉轉(zhuǎn)速。在111.2 s處，飛控系統(tǒng)認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)不再提供動(dòng)力，開(kāi)始執(zhí)行自轉(zhuǎn)著陸程序，在第一時(shí)間內(nèi)將總距降至最低。111.2 s到114.5 s為建立自轉(zhuǎn)階段，此時(shí)直升機(jī)在調(diào)整姿態(tài)。從114.5 s開(kāi)始，直升機(jī)進(jìn)行穩(wěn)定的自轉(zhuǎn)下滑，此時(shí)旋翼轉(zhuǎn)速開(kāi)始增加。在120.7 s時(shí)，為防止旋翼超轉(zhuǎn)，直升機(jī)開(kāi)始提總距，同時(shí)垂向速度伴隨著總距的增加明顯減少。在125.5 s時(shí)結(jié)束穩(wěn)定下滑階段，直升機(jī)開(kāi)始抬頭，隨后縱向地開(kāi)始減速。在129.2 s時(shí)，直升機(jī)開(kāi)始恢復(fù)姿態(tài)并提距降低垂向速度。大概在131.2 s時(shí)，直升機(jī)接觸地面并將總距降至最低，完成自轉(zhuǎn)著陸程序。由仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)直升機(jī)接觸地面時(shí)，縱向速度為3.78m/s，垂向速度幾乎為0。因此，本文設(shè)計(jì)的功能可以使無(wú)人直升機(jī)安全自轉(zhuǎn)著陸。

4 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人直升機(jī)在空中發(fā)動(dòng)機(jī)停車時(shí)是非常危險(xiǎn)的，不僅直升機(jī)會(huì)墜毀，還會(huì)對(duì)地面人員造成嚴(yán)重的安全隱患。本文介紹了有人直升機(jī)的自轉(zhuǎn)著陸過(guò)程，參照飛行員的操作，將整個(gè)自轉(zhuǎn)著陸分成3個(gè)階段，為無(wú)人直升機(jī)設(shè)計(jì)自轉(zhuǎn)著陸功能。在每個(gè)階段，根據(jù)以往無(wú)人直升機(jī)的飛行進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)合理、可靠的控制策略。最后搭建半物理仿真環(huán)境，驗(yàn)證了該功能的有效性。實(shí)驗(yàn)證明，直升機(jī)在關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)后在空中保持自轉(zhuǎn)飛行，降落時(shí)的觸地速度也非常小，能夠安全、平穩(wěn)地著陸。

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（編輯 傅金睿）