無人直升機控制系統探索

梁霄

【摘 要】無人直升機飛行距離遠，隱蔽性好，起飛著陸場地小，可方便地起降，又可在空中作懸停飛行，因此在軍事和民用方面有著廣泛的用途?？刂葡到y是無人機的核心，先進飛機的控制技術是實現自主控制的最主要的支撐技術之一。本文對無人直升機的控制系統的構成及工作過程進行了概括介紹，對無人機控制系統整體設計思路進行了探索。

【關鍵詞】無人直升機；飛行控制；系統

1.前言

無人駕駛飛機（UnmannedAirVehicle，UAV）是一種帶動力的、無線電遙控或自主飛行的、執行多種任務并能多次使用的無人駕駛飛行器。在現代戰爭中，無人機在偵察、監視、目標獲取、目標指示、通訊中繼、戰場傷亡評估、通訊和電子智能、干擾、生化探測等方面都發揮了重要的作用[1]。而無人直升機飛行距離遠，隱蔽性好，起飛著陸場地小，可方便地在中小艦艦上和屋頂上起降，又可在空中作懸停飛行，飛行安全性高，因此在軍事和民用方面有著廣泛的用途。無人駕駛直升機的性能在很大程度上取決于它的飛行控制系統設計，這些性能包括各種飛行性能（包括起飛著陸性能、作業飛行性能），飛行安全可靠性，飛行可監控性，系統可操縱性和可維護性，以及人機接口任務設置的友好性等[2]?？傊?，無論軍用或民用都要求無人直升機具有高的飛行準確性、安全可靠性和系統可監控性?？刂葡到y是無人機的核心。無人機要完成自主飛行，需要控制系統對內回路（姿態回路）和外回路（水平位置和高度回路）都具有良好的控制特性。從有人駕駛飛行向UAV自主飛行的發展，實際上是飛行自動化向飛行自主化的發展，飛機的控制系統要扮演決策與控制的雙重角色。顯而易見，飛機的控制技術是實現自主控制的最主要的支撐技術之一[3]。

2.系統構成

無人機通常分為遙控型、自主型及遙控—自主復合型。由于無人直升機是非線性、強耦合、多變量的不穩定系統，完全的自主飛行控制系統的設計較為復雜，且無人直升機飛行的高度較低，因此一般采用遙控—自主復合型控制?？紤]到無人直升機一般為微小型成本低的無人機，因此在設計飛機的性能指標時，應考慮如下因素：

1）直升機穩定性差、不易控制，具有多變量、非線性交耦和柔性結構的動力學特性，而且對直升機動力學特性的建模難度較大，尤其不易準確建立六自由度考慮非線性、交耦的動力學模型。這對飛行控制系統設計帶來一定難度。

2）無人直升機的飛行環境惡劣，要求有強的抗風擾動能力和準確的飛行控制。

3）要求精確的自主姿態控制和升力控制，強的姿態穩定能力。

4）要求精確的軌跡自主控制（包括導航控制飛行）能力。

機上部分：包含無線電傳輸部分、舵機系統、飛控計算機、目標任務控制計算機、GPS導航設備、三軸姿態傳感器以及必要的大氣數據傳感器等。

地面部分：包括遙控操縱設備、目標任務監視設備、飛機狀態監測設備、無線電傳輸設備、以及地面綜合控制處理計算機。

3.系統功能實現

無人直升機飛行即為實現既定任務，因此在設計整個無人機系統的飛行控制系統時，應該參考無人機的功能任務。從無人直升機系統工作流程圖可以得到無人機控制系統的必須的幾個功能模塊：

3.1準備起飛階段待機功能

飛機電子設備都處于通電開機待機狀態，等待地面控制設備的無線電信號的起飛指令。這個狀態主要是為飛機的控制系統輸入飛機飛行所必須的任務、目標信息，飛機起飛前的各個初始狀態，飛機所要執行的任務的飛行程序模塊（飛機執行不同任務所執行的飛機控制程序不同，通過更改軟件來使飛機的用途多樣化）。

3.2垂直起降功能

直升機的優點之一就是能夠垂直起降，不依賴機場環境。因此垂直起降功能是無人直升機控制系統必須實現的一種功能。執行這個功能時，飛控計算機發出信號給執行機構（舵機，發動機油門），協調舵機和發動機油門等結構的狀態，使飛機穩定的垂直起飛。

3.3高度保持

無人直升機自主飛行的過程中，飛機狀態的穩定是一個主要的問題。地面監控設備可以監控無人直升機的飛行狀態，以便在特殊狀態下干預飛機的飛行。干預過后可以遙控飛機返航，或者使飛機回復某一過渡狀態后再次過渡到自主飛行階段，而高度保持功能即為這一過渡狀態。（當然也可以選定其他飛行階段）。

3.4調整姿態航向（軌跡控制）功能

在這一個功能下，飛控計算機綜合導航系統的信息，發出信號給執行機構，更改飛機姿態，調整（修正）航跡。軌跡控制可以使飛機沿著預定的軌跡飛向任務目標，修正偏差，以實現精確制導控制。

3.5姿態穩定功能

無人機在執行目標任務時，無論目標任務是偵查還是攻擊，無人機狀態的穩定都影響任務完成的效果。因此無人直升機應該具有保持飛機飛行姿態穩定的功能。

3.6無線電遙控功能

直升機是非線性、強耦合、多變量的不穩定系統，因此直升機的飛行控制也是非常復雜的。對于自主飛行的無人直升機，由于飛行環境的惡劣以及本身的不穩定性，飛行的安全保證是一個十分重要的問題，必須能夠在發生自主飛行程序無法操縱飛機的情況下，能夠由地面控制系統通過無線電系統來無線電遙控飛機，使其能夠安全返航。在這個功能模塊，地面監控系統根據無人直升機傳回的飛機飛行狀態情況判斷飛機飛行是否正常，在飛機飛行出現異常狀況時向監控人員報警，地面操縱人員利用地面操縱系統遙控飛機來保證飛機的飛行安全。另外，整個無人直升機的控制系統還應該包括如下兩個功能摸塊：

1）決策控制電路模塊。接收來自敏感元件（高度等大氣信號或者俯仰角等姿態信號）、導航系統（飛機的方位信號，飛機的航跡偏差等信號）、無線電系統（遙控指令信號等）、任務控制電路（載荷的目標任務完成情況）、飛控計算機（飛機當前狀態）的信號，綜合處理后得到適當的信號來發送給飛控計算機。這個模塊的功能就是模擬有人直升機的駕駛員，在一定條件（如飛機到達一定高度等）下觸發一定的程序來發出信號給飛控計算機，使飛機在各個功能之間轉換，實現飛機飛行控制的自主化，同時還擔當著信號轉換的作用，協調各種形式的信號；

2）目標任務控制電路模塊用來控制任務載荷在適當的時候來執行預定任務。綜合來自導航系統（任務目標方位確定）、無線電系統（地面任務指令）、飛控計算機（飛機飛行姿態狀況）的信號，通過處理后發出信號給任務載荷（如偵察設備等）來執行適合任務，并接收任務完成情況的信息傳遞給決策電路。將無人直升機的控制系統分為以上的幾個功能模塊，就可以借鑒有人直升機的飛行控制系統設計經驗，設計各個功能模塊的控制律，并對控制律進行相應的優化或簡化，然后再考慮與其他系統的交聯及耦合，這樣就減小了無人機控制系統設計工作的復雜性，節約了時間。

4.結束語

直升機因為具有靈活機動、對機場環境依賴程度低等優點，在軍事上的應用受到了重視，但同時因為飛行高度低、飛行環境復雜導致了戰場生存力低等缺點，發展又受到了限制。因此無人直升機是直升機技術的主要發展方向之一。這其中的關鍵就是飛機的控制技術。無人直升機飛行從自動化到自主化的發展，是以后技術研究的方向。

【參考文獻】

[1]王昆玉.直升機飛行控制系統[M].北京：北京海洋出版社，2017.

[2]嚴平，陳穎，陳曦.無人機飛行安全控制系統的設計與實現[J].計算機測量與控制.2017.15（7），1671-4598.

[3]吳森堂，費玉華.飛行控制系統[M].北京：北京航空航天大學出版社，2015.