飞行器AFCS的稳定性浅析

中国人民解放军92419部队 曹 勇

1 引言

无人机（Unmanned Aer ial Vehicl e，简称UAV），就是无人驾驶的飞机，它起初是用于训练使用的[1]。从上世纪九十年代开始，无人机得到了突飞猛进的发展，逐渐开始替代有人机执行各种任务。如今，无人机已经成为各国航空领域的重要研究方向。它具有结构简单等众多优点，可以到达很多有人机无法到达的危险区域。无人机的安全飞行，离不开其飞行控制系统(简称AFCS)。飞行控制系统就相当于无人机的大脑。最初的UAV是依靠自驾仪来调整姿态的，现在的无人机的AFCS已经不单独设置此类机构了[2]。无人机很多时候要进行自主飞行，其自主飞行控制如图1所示。UAV主要有无线电、惯性、GPS三种导航方式[3]。

图1 自主飞行控制图

2 飞控设计原理

无人机往往框架小，结构简单，难以飞行太高，在设计过程中，更多的依据现有的成熟技术，通过计算流体力学（CFD）来进行建模并应用FLUENT等软件进行仿真。无人机和AFCS构成了一个闭环系统。AFCS主要由测量元件、信号调理电路、控制系统、阻尼器、执行机构等组成。为保证无人机的安全飞行，最重要的是保证无人机的正确姿态和航迹。控制无人机的姿态主要依靠俯仰、滚转、偏航三个方向的速率陀螺；控制无人机的航迹主要依靠GPS定位信息，不断修正，按照预定的方向飞行。无人飞行器的起飞阶段以及回收阶段往往通过手控操作执行，正常起飞后往往通过程控飞行[4]。根据空气动力学知识，知道飞机的升力公式为式（1.1）。当飞机下表面压力大于上表面压力时，飞机才能产生向上的运动。飞行过程中，通过高度传感器来传递高度信息，通过空速传感器来传递空速信息，为地面操作人员提供重要的判断依据。

式中：Y----升力；Cy----升力系数；r----空气密度；v----来流速度；S----有效面积。

3 可控性分析

UAV飞行性能的好坏，主要取决于其可控性，又受重量和惯量的影响，通过稳定性和操纵性体现出来，这两种性能相互联系又有一定的区别。不同的气动布局，不同的舱室设置，都决定了无人机不同的性能和状态，因此改变其稳定性和操纵性的方式也不尽相同，常用的方法有设计增稳系统以及安装阻尼器两种。增稳系统是通过增加一些反馈设计，不改变原结构，将一些力或形变转化为脉冲信号，进一步反馈给控制器，由控制器进行解码，变成伺服机构可以识别的语言，产生动作，保持无人机的稳定性[5]。阻尼器的工作原理是增加阻尼，使操纵面趋于平稳。为实现这一点，需要获取三个方向运动速率的反馈信息，使无人机系统形成一个闭环。一般可以将这两种方式进行融合，改善阻尼特性，减小瞬间扰动，对于速度不高、过载不大的飞行器来说，是可以实现的。阻尼器发挥了反馈和核对的作用，它一方面阻止角速度的快递变化，另一方面又不改变飞行器正常的动作，按照飞控器的指令执行。

控制律设计主要包括空速保持、高度保持、航线保持等三种。高度信息决定了油泵的工作，空速信息决定了升降舵的工作，航向角决定了方向舵的工作。空速信息极其重要。根据空气动力学知识，我们知道通过调整俯仰角能够改变无人机的速度。虽然这样操作会在高度上有所影响，但能够让无人机空速稳定在安全区域内。此时，高度出现了变化。任何事物的能量都包括动能和势能两部分。无人机高度增加，也就是势能的增加，这时需要使发动机工作，通过改变动能来改变势能，进一步实现对高度的调整。卫星定位信息是控制航向的重要依据，包括无人机的方位和航向。阻尼器的安装使用，可以使无人机减弱外界的干扰影响，保持正确的航向飞行。

4 传感器应用

传感器可以测量温度、压力等外部物理量，并将这些物理量转换成飞控系统能够识别的电子信号[6]。常用于飞行器上的传感器有无线电高度表、GPS、温度传感器等。传感器获取数据的准确性至关重要，否则控制就无从谈起。压阻式传感器是利用的电桥原理。通过计算得到高度信息。压电式传感器能感知力，它获取的信息都能与相应的力转化。当它受到外界影响时，会生成不同的电子移动，通过电流的形式表现出来。最终形成脉冲信号，控制舵机完成相应的动作，实现对飞行姿态和高度的控制。

5 结论

无人机在军事和民事领域都越来越得到重视，无人机要实现自主飞行，其飞控系统的稳定性至关重要。本文以小型、低速飞行器为研究对象，对其飞行控制系统的工作原理、力学特性、稳定性及操纵性、传感器技术进行了简要介绍和分析，重点对阻尼反馈闭环和控制律进行了阐述，做了一定程度的探索性工作，结合增稳系统提出了设计方案，为提高UAV的稳定性提供了新的思路。本文结论对实际工程具有一定的参考价值。

[1]《国内外无人机大全》编写组.国内外无人机大全[M].北京:航空工业出版社,2001.

[2]张明廉,等.飞行控制系统[M].北京:航空工业出版社,1994.

[3]龙燕.高静稳定性无人机飞行控制系统研究[D].四川大学,2003.

[4]方晓,雷金奎,刘志刚.小型无人侦察机飞行控制系统设计[J].飞行力学,2004,22(1):37-40.

[5]宋翔贵,等.电传飞行控制系统[M].北京:国防工业出版社,2003.

[6]沈幸农,王永红.传感器及应用技术[M].北京:化学工业出版社,2002.