无人直升机设计关键技术

无人直升机设计关键技术摘要：在信息技术的驱动下，无人机已经成为发展最快的飞机类型。作为无 人机体系中的重要分支一一无人直升机，因其结构紧凑、灵活的转换，盘旋，垂直 起飞和降落，在低速低性能，高机动性和安全性等，形成了覆盖目标、情报、监视、 战场监视、通信中继、目标指示、指导和摧毁，电子干扰和对抗，灾难情况调查、 气象观测、调查的土地和资源，测绘，地理信息动力巡逻和管道巡逻系统在军事、 民用等领域的任务产品。然而，由于一些独特的关键技术尚未完全突破，无人直 升机的发展落后于无人机系统的另一个分支一一固定翼无人机。关键词：无人直升机；设计；关键技术；由于其结构紧凑、转场灵活、空中悬停、垂直起降、低空低速性能、机动性 和安全性高等特点，已经形成了覆盖靶标、情报侦察、战场监视、通信中继、目 标指示、引导与摧毁、电子干扰与对抗、灾害灾情调查、气象探测、国土资源调 查、地理信息测绘、电力巡线和输油管线巡线等军、民用任务领域的产品体系。一、飞行控制与导航技术1.从飞行控制和导航技术来看，由于无人直升机作为受控对象具有多变量、 非线性、强耦合性、时变性等特性，是一种稳定性差、不易操纵和难以控制的飞 行器。所以目前飞行控制和导航技术是制约无人直升机投入实际应用中的瓶颈， 也是一项决定无人直升机飞行品质的一项关键技术。美军根据飞行控制与导航技 术水平的高低，按照发展型谱把无人直升机的能力分类定义成十级，分别是：远 程引导飞行控制能力、实时故障诊断与监控能力、飞行条件和故障的适应能力、 机上航线再规划、集群配合、集群战术再规划、集群战术目标、分布式控制、集 群战略目标和完全自主集群。概括起来就是无人直升机的飞行控制与导航技术水 平可分为四类：遥控飞行技术、自动飞行技术、自主飞行技术和智能飞行技术。 无人直升机遥控飞行需要地面人员操纵，按人工指令飞行，其中包括连续指令和 离散指令控制飞行两种状态。自动飞行需要预编程机载飞控系统，无人直升机按编定的程序指令飞行，具有自动导航功能，可按照程序设定实现自动起飞、航线 飞行和着陆（舰）。自主飞行需要先进的机载传感器、飞控和导航系统，在给定 任务后，无人直升机自行判断飞行状态、自发指令控制飞行，具有自主目标识别 和自主航迹重规划能力；智能飞行则是在自主飞行的基础上，增加智能化的机载 设备，可实现单机间合作飞行、多机编队飞行、有人机与无人机协同飞行。2.就目前发展情况来看，无人直升机的飞行控制技术和导航技术还不够成熟。 当前各国研发的无人直升机大多实现了自动飞行的计划，在不同环境风速条件下， 自动控制功能的可靠性和精度（尤其是大速度前飞自动控制），以及作为无人直 升机在实际应用当中所必须具有的自动起飞、着陆（舰）功能还在研究和仿真试 验阶段当中，且缺乏严重应付突发性事件的能力，系统只能执行预定的任务。在 向自主飞行阶段迈进后，无人直升机都将集自主飞行、自动飞行和人工实时遥控 飞行于一身，可以通过指令切换飞行方式，既适应不同场合或执行不同任务，也 可以在紧急情况下启用该技术以提高生存力。飞行控制和导航技术涉及状态测量、 信息综合与管理、姿态控制等方面的技术，包含了起降/飞行控制律设计、航线 规划及全向导航设计、发动机控制律设计、人工智能与容错控制策略设计、智能 化故障模式识别与处理、综合电气管理等相关内容。设计无人直升机时不仅仅需 要先进的飞行控制与导航理论和经验（并装有功能强大的机载计算机系统），同 时还对传感器技术和测控技术提出了要求。为了突破这一关键技术，科研技术人 员尝试了鲁棒控制、遗传模糊控制、显模型跟踪控制等控制方法，以及视觉导航 技术和嵌入式飞控系统、分布式飞控系统等系统设计方面的探索。但还没有形成 行之有效的方法。二、遥测遥控技术1.由于在大部分的时间里无人直升机都在地面人员的视野之外飞行，在飞行 器和地面控制站之间必须有稳定、可靠、高速的数据传输通道，地面人员对飞机 的各种监视测量和操纵控制都依赖于提供数据通道的遥测遥控系统。遥测遥控技 术是解决通信链路和遥测遥控数据高可靠性、稳定性、实时性，以及飞机各种状 态准确测量技术难题，建立遥测遥控系统的关键技术，是一项保证无人直升机超 视距安全可靠飞行的关键技术。无人直升机的遥测遥控系统不仅包括通信信道部 分，还包括无人直升机地面检测、指挥、操纵与协同等部分内容。此外，该系统 为监控机上及地面站各设备工作状态并为可能出现的故障提供分析数据，还需要 对无人直升机机上控制环路各部分以及地面站遥测设备进行全程监测。因此，无 人直升机遥测遥控系统分为机载测控子系统和地面测控子系统两个部分。一般无 人直升机遥测遥控系统由天线（含低噪放）、发射机、上下变频器、基带处理器 组成，与飞控和任务设备的接口数据转换在基带处理器完成。地面测控设备采用 全向天线加定向天线，机载测控设备采用全向天线，收发一体。地面测控设备将 地面显控设备的控制指令形成遥控信息，上传到无人机机载测控设备，机载测控 设备实现遥控信息接口转换，传递给飞控设备，进行飞行状态控制；然后机载测 控设备接收飞控设备输出的飞行状态信息以及任务载荷输出的信息，形成遥测信 息，下传到地面测控设备，最后由地面测控设备进行接口转换，传递给地面显控 设备。2.由于无人直升机使用环境的特殊性，要求遥测遥控系统具有以下特点：（1）遥测数据具有高可靠性和高实时性，系统对异常情况能够快速有效地提示 和反应；（2）高机动飞行的情况下确保通信链路稳定可靠，为了保证数据的正 确稳定，系统应具有低误码率；（3）由于重量限制，要求机载设备尽量降低复 杂度，做到简单、可靠；（4）遥测数据具有良好的可视化方法，地面设备要求 简洁、高效，以符合车载移动地面站安装和使用。上述系统特点都需通过遥测遥 控技术来实现。虽然直升机振动大，但在信道流量和抗干扰性能方面该技术已足 够成熟，其他该技术也已经具有实用性。针对不同型号无人直升机而言，目前主 要是其遥测遥控技术的专用性问题。此外，地面测控子系统还需通过光学、微波 和其他探测方式辅助完成无人直升机近距精确定位，为无人直升机在任意地形和 地貌环境下实现自主降落提供位置和高度信号（尤其是在GPS信号丧失时），成 为完成无人直升机自主起降的关键手段。对小型化的无人直升机而言，由于机上 安装位置和重量的限制，航电装置拟采用组合设计构成一体化航电装置，即将飞 控、导航与通讯以模块方式构成一个整体装置，将大大提高通信与机上其他航电 装置一体化的共型设计可靠性并减小航电装置的重量和尺寸。对具有较高自主飞 行和智能飞行能力的无人直升机需具有多机协同能力，还需有与其他装备协同作 战能力，即无人直升机在执行任务中不仅要保持无人直升机与地面指站的通信， 还需要具有与其他飞行器和地面装备的通信，以实现多机协同和多装备间的协同。 一些新研制的测控装置将考虑这种具有一站多机通信和多机通信功能的群控通信 网络系统。总之，无人直升机的发展还离不开动力、传动、机载设备、航空材料等技术 的支持，这些技术是无人机共性的关键技术，或是设计中所需要的重要技术，但 相对总体构型与气动布局设计技术、飞行控制与导航技术和遥测遥控技术而言， 这些不是造成无人直升机发展落后于固定翼无人机的主要因素。参考文献：1 李荣.浅谈无人直升机设计关键技术.2018.2 周建军，高空长航时无人机导航系统研究.2019.