梁霄

【摘 要】无人直升机飞行距离远，隐蔽性好，起飞着陆场地小，可方便地起降，又可在空中作悬停飞行，因此在军事和民用方面有着广泛的用途。控制系统是无人机的核心，先进飞机的控制技术是实现自主控制的最主要的支撑技术之一。本文对无人直升机的控制系统的构成及工作过程进行了概括介绍，对无人机控制系统整体设计思路进行了探索。

【关键词】无人直升机；飞行控制；系统

1.前言

無人驾驶飞机（UnmannedAirVehicle，UAV）是一种带动力的、无线电遥控或自主飞行的、执行多种任务并能多次使用的无人驾驶飞行器。在现代战争中，无人机在侦察、监视、目标获取、目标指示、通讯中继、战场伤亡评估、通讯和电子智能、干扰、生化探测等方面都发挥了重要的作用[1]。而无人直升机飞行距离远，隐蔽性好，起飞着陆场地小，可方便地在中小舰舰上和屋顶上起降，又可在空中作悬停飞行，飞行安全性高，因此在军事和民用方面有着广泛的用途。无人驾驶直升机的性能在很大程度上取决于它的飞行控制系统设计，这些性能包括各种飞行性能（包括起飞着陆性能、作业飞行性能），飞行安全可靠性，飞行可监控性，系统可操纵性和可维护性，以及人机接口任务设置的友好性等[2]。总之，无论军用或民用都要求无人直升机具有高的飞行准确性、安全可靠性和系统可监控性。控制系统是无人机的核心。无人机要完成自主飞行，需要控制系统对内回路（姿态回路）和外回路（水平位置和高度回路）都具有良好的控制特性。从有人驾驶飞行向UAV自主飞行的发展，实际上是飞行自动化向飞行自主化的发展，飞机的控制系统要扮演决策与控制的双重角色。显而易见，飞机的控制技术是实现自主控制的最主要的支撑技术之一[3]。

2.系统构成

无人机通常分为遥控型、自主型及遥控—自主复合型。由于无人直升机是非线性、强耦合、多变量的不稳定系统，完全的自主飞行控制系统的设计较为复杂，且无人直升机飞行的高度较低，因此一般采用遥控—自主复合型控制。考虑到无人直升机一般为微小型成本低的无人机，因此在设计飞机的性能指标时，应考虑如下因素：

1）直升机稳定性差、不易控制，具有多变量、非线性交耦和柔性结构的动力学特性，而且对直升机动力学特性的建模难度较大，尤其不易准确建立六自由度考虑非线性、交耦的动力学模型。这对飞行控制系统设计带来一定难度。

2）无人直升机的飞行环境恶劣，要求有强的抗风扰动能力和准确的飞行控制。

3）要求精确的自主姿态控制和升力控制，强的姿态稳定能力。

4）要求精确的轨迹自主控制（包括导航控制飞行）能力。

机上部分：包含无线电传输部分、舵机系统、飞控计算机、目标任务控制计算机、GPS导航设备、三轴姿态传感器以及必要的大气数据传感器等。

地面部分：包括遥控操纵设备、目标任务监视设备、飞机状态监测设备、无线电传输设备、以及地面综合控制处理计算机。

3.系统功能实现

无人直升机飞行即为实现既定任务，因此在设计整个无人机系统的飞行控制系统时，应该参考无人机的功能任务。从无人直升机系统工作流程图可以得到无人机控制系统的必须的几个功能模块：

3.1准备起飞阶段待机功能

飞机电子设备都处于通电开机待机状态，等待地面控制设备的无线电信号的起飞指令。这个状态主要是为飞机的控制系统输入飞机飞行所必须的任务、目标信息，飞机起飞前的各个初始状态，飞机所要执行的任务的飞行程序模块（飞机执行不同任务所执行的飞机控制程序不同，通过更改软件来使飞机的用途多样化）。

3.2垂直起降功能

直升机的优点之一就是能够垂直起降，不依赖机场环境。因此垂直起降功能是无人直升机控制系统必须实现的一种功能。执行这个功能时，飞控计算机发出信号给执行机构（舵机，发动机油门），协调舵机和发动机油门等结构的状态，使飞机稳定的垂直起飞。

3.3高度保持

无人直升机自主飞行的过程中，飞机状态的稳定是一个主要的问题。地面监控设备可以监控无人直升机的飞行状态，以便在特殊状态下干预飞机的飞行。干预过后可以遥控飞机返航，或者使飞机回复某一过渡状态后再次过渡到自主飞行阶段，而高度保持功能即为这一过渡状态。（当然也可以选定其他飞行阶段）。

3.4调整姿态航向（轨迹控制）功能

在这一个功能下，飞控计算机综合导航系统的信息，发出信号给执行机构，更改飞机姿态，调整（修正）航迹。轨迹控制可以使飞机沿着预定的轨迹飞向任务目标，修正偏差，以实现精确制导控制。

3.5姿态稳定功能

无人机在执行目标任务时，无论目标任务是侦查还是攻击，无人机状态的稳定都影响任务完成的效果。因此无人直升机应该具有保持飞机飞行姿态稳定的功能。

3.6无线电遥控功能

直升机是非线性、强耦合、多变量的不稳定系统，因此直升机的飞行控制也是非常复杂的。对于自主飞行的无人直升机，由于飞行环境的恶劣以及本身的不稳定性，飞行的安全保证是一个十分重要的问题，必须能够在发生自主飞行程序无法操纵飞机的情况下，能够由地面控制系统通过无线电系统来无线电遥控飞机，使其能够安全返航。在这个功能模块，地面监控系统根据无人直升机传回的飞机飞行状态情况判断飞机飞行是否正常，在飞机飞行出现异常状况时向监控人员报警，地面操纵人员利用地面操纵系统遥控飞机来保证飞机的飞行安全。另外，整个无人直升机的控制系统还应该包括如下两个功能摸块：

1）决策控制电路模块。接收来自敏感元件（高度等大气信号或者俯仰角等姿态信号）、导航系统（飞机的方位信号，飞机的航迹偏差等信号）、无线电系统（遥控指令信号等）、任务控制电路（载荷的目标任务完成情况）、飞控计算机（飞机当前状态）的信号，综合处理后得到适当的信号来发送给飞控计算机。这个模块的功能就是模拟有人直升机的驾驶员，在一定条件（如飞机到达一定高度等）下触发一定的程序来发出信号给飞控计算机，使飞机在各个功能之间转换，实现飞机飞行控制的自主化，同时还担当着信号转换的作用，协调各种形式的信号；

2）目标任务控制电路模块用来控制任务载荷在适当的时候来执行预定任务。综合来自导航系统（任务目标方位确定）、无线电系统（地面任务指令）、飞控计算机（飞机飞行姿态状况）的信号，通过处理后发出信号给任务载荷（如侦察设备等）来执行适合任务，并接收任务完成情况的信息传递给决策电路。将无人直升机的控制系统分为以上的几个功能模块，就可以借鉴有人直升机的飞行控制系统设计经验，设计各个功能模块的控制律，并对控制律进行相应的优化或简化，然后再考虑与其他系统的交联及耦合，这样就减小了无人机控制系统设计工作的复杂性，节约了时间。

4.结束语

直升机因为具有灵活机动、对机场环境依赖程度低等优点，在军事上的应用受到了重视，但同时因为飞行高度低、飞行环境复杂导致了战场生存力低等缺点，发展又受到了限制。因此无人直升机是直升机技术的主要发展方向之一。这其中的关键就是飞机的控制技术。无人直升机飞行从自动化到自主化的发展，是以后技术研究的方向。

【参考文献】

[1]王昆玉.直升机飞行控制系统[M].北京：北京海洋出版社，2017.

[2]严平，陈颖，陈曦.无人机飞行安全控制系统的设计与实现[J].计算机测量与控制.2017.15（7），1671-4598.

[3]吴森堂，费玉华.飞行控制系统[M].北京：北京航空航天大学出版社，2015.