无人直升机飞行控制技术研究

刘锴 霍鹏飞

摘要：无人驾驶直升机拥有无人机和直升机共同的优点，具有独特的飞行能力，可以完成有人直升机无法完成的很多任务，在无人直升机工作的过程中，无需考虑到驾驶员的安全，所以很多危险的任务只能靠无人直升机去完成。这也意味着无人直升机的应用将会越来越广泛，所产生的作用也将越来越重要。

关键词：无人直升机;飞行控制;技术要点

中图分类号：TH723

文献标识码：A

引言

无人直升机作为无人机体系中的重要分支，具有无人机与直升机的共同优点，其在构造形式上属于旋翼飞行器，在飞行功能上属于垂直起降飞行器，因其具有转场灵活、空中悬停、垂直起降、低空低速性能、机动性和安全性高的特点，无人直升机在军用领域既可完成通信中继、对地攻击、实施干扰以及战损评估任务，又可完成侦查监控、骗敌诱饵和校射等任务，适用于在野外场地、简易机场以及舰船甲板等场地上起降。

1新型无人直升机的控制特点

1.1 共轴式风扇/ 旋翼布局

无人直升机采用的是旋翼和风扇共轴式的布局，省去了传统有人直升机的尾桨传动结构，这让直升机的整体尺寸变小，结构也较之前的更加简单，安全系数也更高。以往直升机的故障多处于尾桨，没有尾桨的无人直升机有着更高的安全系数。另外我们知道没有尾桨的直升机现在只存在旋翼风扇和发动机两种转速，振源减少，这让直升机的震动问题变得更加的简单，没有尾桨的直升机接触气流的面积较小，所以受到气流的阻力也会变小。

1.2 机体多采用复合型材料

新型直升机的制造材料多是复合型的，所以整个直升机的重量很轻，遥控操作起来比较灵活;另外在雷达波的透射性在复合型材料中的穿透力比较好，能够非常敏锐的扑捉到雷达所传递过来的信息;由于复合型材料的成本比较低，所以无人直升机的制造成本较低，更加具有环保的理念。

1.3 操纵机构简单化

在旋翼/风扇升力系统内共有四个直线型电动舵机，其中一个直线型舵机是作用于风扇桨叶变距的，另外三个直线型舵机是作用于旋翼的，共同的控制总距，分开控制周期变距;另外，新型无人直升机的油箱是轴对称的，所以它的燃油消耗不会影响机身的重心，让无人直升机的遥控操作更加的简单。

1.4 双发动机

新型无人直升机采用的是双发动机工作的模式，分为主副发动机，当主发动机启动达到转速六千之后，它会始终保持这个速度，副发动机则处于启动怠速状态。在直升机飞行的过程中，如果直升机所需要的功率大于直升机的额定功率，主发动机就需要将油门打到最大，另外副发动机加速到跟主发动机相同的六千转速，若是额定功率大于所需功率，副发动机就出在启动怠速的状态，随时准备启动。如果在飞行的过程中，主发动机发生故障，副发动机会自动转副为主，代替主发动机，为直升机提供充足的动力，保证直升机的正常飞行。

2无人直升机飞行控制技术要点

2.1 伺服舵机

伺服舵机飞行控制系统中占据着重要的地位，它是飞行系统正常运行的执行机构，它会根据上面所阐述的飞行计算机所发出的数据指令驱动舵然后实现控制系统对无人直升机的飞行控制。所以，伺服舵机的性能高低决定着整个飞行控制系统的性能，也直接决定无人直升机在空中飞行的状态。伺服舵机分为三类：机电伺服舵机，电液伺服舵机和气动伺服舵机，它是根据伺服舵机所使用的能源来划分的，目前飞行控制系统中多使用的是机电和电液伺服舵机，因为气动伺服舵机存在着气体的压缩性，难以控制。在飞行控制系统中，伺服舵机被设计成为一个位置伺服系统，所以伺服舵机的控制器主要是对直升机位置的信息进行调节和处理，再与相关部门合作实现对飞行中的直升机进行控制。

2.2智能或半自主飞行控制

智能是根据已有的信息，利用信息处理、形式语言、启发式推理、记忆、学习和优化决策等求解问题的答案，主要体现发现知识的能力，可以形象地认为智能是自主的“未成年期”。智能只是达到自主控制的手段，自主才是智能控制最终追求的目标。无人直升机的智能/半自主飞行控制就是利用传感器及其信息融合技术，感知飞行参数和环境，不断获取信息以减小不确定性因素，从而做出最优决策，实现自动飞行控制。智能或半自主飞行控制是基于信息驱动的闭环动态反馈飞行控制。

2.3无人直升机高可靠飞行控制系统技术

主要针对中、高端无人直升机，研究其高可靠的飞行控制系统技术，从传感器、飞控计算机、执行机构以及飞行控制软件等多个方面进行设计，余度结构如何构成，是否采用总线以及如何使用总线等等。主要包括：①无人直升机高可靠飞行控制系统硬件配置技术;②高可靠飞行控制系统的传感器配置技术;③高可靠飞行控制系统的余度飞控计算机配置技术;④高可靠飞行控制系统的伺服系统配置技术;⑤高可靠飞行控制系统的软件开发环境和实现技术。

2.4自主群体飞行控制

（1）无人直升机综合飞行控制技术

无人直升机综合飞行控制系统的体系结构从三个层面上实现：第一个层面（原始信息传感器等底层硬件）：处理作为系统组成部分的传感器输入信号，进行信息融合，并沿数据通道送到上层综合飞控制系统的计算部分;将上层控制经执行机构输出，同时进行周期性检测。第二层面（导航、控制）：对来自底层输入信号进行处理和决策，实现容错控制、模态调度和飞行控制逻辑管理，导航和控制算法计算，向系统输出控制信号。第三层面（管理、协调、规划和决策）：协调、管理和控制无人机各机载子系统，在线任务规划和实时控制，实现重构控制规划和故障管理等。先进的综合飞行控制系统应采取层阶分解、开放的、弹性的控制结构，在可变自主权限的决策、管理和控制的基础上，面向任务、面向效能提供最大的功能可拓展性。综合控制技术的挑战，在某种程度上，代表了无人直升机飛行控制技术所面临的技术难题。只有在大系统的概念下，综合应用鲁棒、自适应和智能控制等控制思想和方法以及先进的飞行控制技术，才可能真正发挥出无人直升机技术的综合效能和较低全寿命周期成本的潜力。

（2）智能重构飞行控制技术

在故障检测和辨识的基础上，采用主动容错控制技术，充分利用控制系统的功能冗余来进行飞行控制律的重构，使飞行器能适应故障或特殊任务环境。因此，可重构飞行控制技术可以降低对飞控系统硬件余度的要求，允许飞行器在出现大范围故障和战斗损伤的情况下，仍能保证一定的飞行性能。主要包括：① 不确定性环境下智能故障诊断和容错控制技术;② 飞行控制律实时性重构技术;③重构控制中的鲁棒性分析与综合技术;④ 故障检测器与重构控制器的集成设计技术。

（3）无人直升机通用实时仿真技术

研究适合未来无人直升机飞行控制仿真验证的通用软件和硬件体系架构，并融合视景仿真技术，构建无人直升机飞行控制系统的硬件在环和操纵手在环的实时半物理仿真系统，从而降低无人直升机系统的研制和试飞风险，减小无人直升机的研制成本。主要包括：① 无人直升机高置信度建模技术;② 无人直升机通用仿真平台的软/硬件体系和实现技术;③ 无人直升机硬件在环/人在环实时半物理仿真技术;④ 无人直升机高逼真度视景仿真技术。

结束语

无人直升机因为其独特的操作系统能够完成传统直升机无法完成的任务，所以它在军事领域或者其他相关领域的作用越来越大，它的控制技术也将会越来越完善。无人直升机的飞行控制系统将在运用的过程中逐渐改进，不断适应所在的科技环境，能够让无人直升机发挥着更大的功效，为世界的各个领域带来福音。

参考文献

[1]万顺飞. 小型无人直升机前飞段飞行控制技术研究[D].南京航空航天大学，2016.

[2]钟恢芳.新型无人直升机飞行控制技术研究[J].科技风，2013（14）：19.

[3]赖水清，陈传琪，张思，单俊杰.无人直升机自主飞行控制技术[J].直升机技术，2013（02）：65-71.作者简介：刘锴，1988.09，籍贯：山东鱼台人，民族：汉族，本科学历，工程师，研究方向：飞行控制系统设计