無人機(jī)飛行控制技術(shù)課件

無人機(jī)飛行控制技術(shù)方舟航空學(xué)院10/12/2008無人機(jī)飛行控制技術(shù)方舟航空學(xué)院1無人機(jī)的軍事需求 無人機(jī)比有人飛機(jī)更具優(yōu)勢的特性包括： 在克服枯燥方面，機(jī)器比人具有更長時(shí)間的靈敏性； 對(duì)于應(yīng)付放射性侵害和危險(xiǎn)方面，免使執(zhí)行任務(wù)人員受到核輻射傷害； 在偵察方面，采用無人機(jī)的政治和人員風(fēng)險(xiǎn)更低，任務(wù)的成功幾率更高。

更低的負(fù)面風(fēng)險(xiǎn)和更高的任務(wù)成功率是繼續(xù)擴(kuò)展無人機(jī)系統(tǒng)的兩大推動(dòng)力。

——美國國防部無人機(jī)的軍事需求 無人機(jī)比有人飛機(jī)更具優(yōu)勢的特性包括：2無人機(jī)在美國的發(fā)展現(xiàn)狀美國國防部將無人機(jī)系統(tǒng)分類為大型無人機(jī)系統(tǒng)；概念探索無人機(jī)系統(tǒng)(用于開發(fā)新的技術(shù)或作戰(zhàn)概念)；特種作戰(zhàn)無人機(jī)系統(tǒng)(只裝備特種作戰(zhàn)司令部)；小型無人機(jī)系統(tǒng)(可由l－2人操作的迷你型或微型無人機(jī)系統(tǒng))無人飛艇(包括浮空器和軟式飛艇)。

無人機(jī)在美國的發(fā)展現(xiàn)狀美國國防部將無人機(jī)系統(tǒng)分類為3到2004年月，美國已經(jīng)裝備20多種無人機(jī)，總飛行時(shí)間已經(jīng)超過10萬個(gè)飛行小時(shí)。執(zhí)行的任務(wù)不僅僅是偵察，還涉及到對(duì)地攻擊、部隊(duì)防護(hù)、以及信號(hào)收集等。在成本上，從幾千美元到幾千萬美元不等在重量上，既有重量不足1磅的微型飛行器，也有重量超過4萬磅的大型飛機(jī)。目前每年無人機(jī)系統(tǒng)的市場份額為27億美元。到2004年月，美國已經(jīng)裝備20多種無人機(jī)，總飛行時(shí)間已經(jīng)超4大型無人機(jī)系統(tǒng)：捕食者M(jìn)Q-磅MQ-磅機(jī)長26.7英尺翼展48.7英尺總重2250磅有效載荷450磅燃油載荷665磅燃料類型航空汽油發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)Rotax914F功率115馬力數(shù)據(jù)鏈類型超視線頻段Ku波段視線C波段續(xù)航時(shí)間>24小時(shí)(無外掛)/14小時(shí)(帶外掛)最大/巡邏速度118/70海里/小時(shí)升限25000英尺使用半徑500海里起飛方式跑道降落方式跑道傳感器類型光電/紅外傳感器型號(hào)雷神AN/AAS-52合成孔徑雷達(dá)諾斯羅普·格魯門AN/ZPQ-1大型無人機(jī)系統(tǒng)：捕食者M(jìn)Q-磅MQ-磅機(jī)長26.7英尺翼展45“火線哨兵”（FireSscout）

RQ-8BRQ-8B機(jī)長22.9英尺翼展27.5英尺總重3150磅有效載荷600磅燃油載荷1288磅燃料類型JP-5/JP-8（航空煤油）發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)羅爾斯·羅伊斯250-C20W功率420軸馬力數(shù)據(jù)鏈類型視線指揮與控制頻段Ku波段/超高頻視線視頻Ku波段續(xù)航時(shí)間>6小時(shí)最大/巡邏速度125/0海里/小時(shí)升限20000英尺使用半徑150海里起飛方式垂直降落方式懸停傳感器類型光電／紅外／激光指示器／測距儀傳感器型號(hào)FSIBriteStarII已交付5架／己計(jì)劃采購192架

“火線哨兵”（FireSscout）RQ-8BRQ-8B6武裝到班一級(jí)的迷你型：“指針”自1989年以來，海軍陸戰(zhàn)隊(duì)、陸軍和空軍已采購了大約100架以電池為動(dòng)力的、手持式發(fā)射的FQM-151“指針”無人機(jī)。這些飛機(jī)曾在海灣戰(zhàn)爭中使用，最近又在“持久自由”和“伊拉克自由”作戰(zhàn)行動(dòng)中使用。武裝到班一級(jí)的迷你型：“指針”自1989年以來，海軍陸戰(zhàn)隊(duì)、7未來的空戰(zhàn)主導(dǎo)者：

無人戰(zhàn)斗武裝旋翼機(jī)無人戰(zhàn)斗武裝旋翼機(jī)是國防高級(jí)研究計(jì)劃局與陸軍的聯(lián)合項(xiàng)目，其目標(biāo)是演示一種可作為未來部隊(duì)構(gòu)成、能有效且經(jīng)濟(jì)地執(zhí)行武裝偵察和攻擊任務(wù)的智能垂直起降無人機(jī)的技術(shù)可行性、作戰(zhàn)價(jià)值和軍事效用。該項(xiàng)目己開始開發(fā)，設(shè)計(jì)，整合和演示關(guān)鍵與賦能技術(shù)。例如：自主與協(xié)同作戰(zhàn)、低高度自主飛行、生存力及目標(biāo)瞄準(zhǔn)／武器投射。2010年之前將轉(zhuǎn)為陸軍的采辦項(xiàng)目。

未來的空戰(zhàn)主導(dǎo)者：

無人戰(zhàn)斗武裝旋翼機(jī)無人戰(zhàn)斗武裝旋翼機(jī)是8無人機(jī)發(fā)展的趨勢 美國認(rèn)為，新一代的無人機(jī)系統(tǒng)應(yīng)該具備續(xù)航時(shí)間長、擁有隱身能力、可進(jìn)行空中預(yù)警以及作戰(zhàn)能力。對(duì)導(dǎo)航、制導(dǎo)及控制存在以下需求：要求飛控系統(tǒng)具有在高速、高機(jī)動(dòng)性條件下的控制能力。要求無人機(jī)的“看見”和自主躲避其他飛機(jī)的能力，提供與有人系統(tǒng)相當(dāng)?shù)陌踩?。改進(jìn)無人機(jī)的抗惡劣天氣的能力，以提高其任務(wù)可用度和任務(wù)效能。未來將成為空戰(zhàn)的主導(dǎo)力量；今后十年的年均市場份額將高達(dá)83億美元。無人機(jī)發(fā)展的趨勢 美國認(rèn)為，新一代的無人機(jī)系統(tǒng)應(yīng)該具備續(xù)航時(shí)9對(duì)導(dǎo)航、制導(dǎo)及控制提出的挑戰(zhàn)對(duì)導(dǎo)航、制導(dǎo)及控制提出的挑戰(zhàn)10上表是美國對(duì)無人機(jī)自主水平提出的10級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，這是對(duì)控制提出的極大挑戰(zhàn)！美國現(xiàn)役的無人直升機(jī)“火力偵察兵”的自主水平為3級(jí)：即具備容錯(cuò)控制和自適應(yīng)控制的能力。無人機(jī)飛行控制技術(shù)ppt課件11無人機(jī)發(fā)展趨勢對(duì)飛控提出的新挑戰(zhàn)無人機(jī)的發(fā)展趨勢：高空/高速/長航時(shí) （>30000m/>0.7M/>30h）視距內(nèi)無線電操縱→超視距遙控→全自主導(dǎo)航飛行對(duì)飛控提出的新挑戰(zhàn)：精確制導(dǎo)與控制智能化：路徑在線規(guī)劃、編隊(duì)協(xié)同等系統(tǒng)低成本、低功耗與小體積的同時(shí)保證高可靠性無人機(jī)發(fā)展趨勢對(duì)飛控提出的新挑戰(zhàn)無人機(jī)的發(fā)展趨勢：高空/高速12飛控系統(tǒng)構(gòu)成在現(xiàn)代無人機(jī)系統(tǒng)中，整個(gè)飛控系統(tǒng)成本構(gòu)成整機(jī)成本的70%以上！飛控系統(tǒng)構(gòu)成在現(xiàn)代無人機(jī)系統(tǒng)中，整個(gè)飛控系統(tǒng)成本構(gòu)成整機(jī)成本13機(jī)上飛行控制系統(tǒng)從功能上可以分為三個(gè)子系統(tǒng)：導(dǎo)航子系統(tǒng)：給出位置/速度/姿態(tài)信息制導(dǎo)子系統(tǒng)：處理導(dǎo)航/慣性參考軌跡數(shù)據(jù)，給出航點(diǎn)設(shè)定信息控制子系統(tǒng)：運(yùn)算產(chǎn)生舵面信號(hào)，調(diào)整無人機(jī)的姿態(tài)達(dá)到設(shè)定值

上述三個(gè)子系統(tǒng)在邏輯上構(gòu)成閉環(huán)。機(jī)上飛行控制系統(tǒng)從功能上可以分為三個(gè)子系統(tǒng)：14無人機(jī)飛控關(guān)鍵技術(shù)先進(jìn)控制技術(shù)傳感器技術(shù)通信技術(shù)美國“捕食者”無人機(jī)我國“長空一號(hào)”高速無人機(jī)無人機(jī)飛控關(guān)鍵技術(shù)先進(jìn)控制技術(shù)美國“捕食者”無人機(jī)我國“長空15無人機(jī)控制技術(shù)經(jīng)典飛控控制律設(shè)計(jì)方案：在飛行包線內(nèi)的幾個(gè)特定狀態(tài)線性化飛行動(dòng)態(tài)模型，針對(duì)每一飛行狀態(tài)設(shè)計(jì)線性控制器，然后利用差值策略將不同的工作點(diǎn)的設(shè)計(jì)綜合起來。優(yōu)點(diǎn)：簡單實(shí)用、有成功應(yīng)用的先例缺點(diǎn)：理論上無法保證全局的穩(wěn)定性、魯棒性和性能最優(yōu)。無人機(jī)控制技術(shù)經(jīng)典飛控控制律設(shè)計(jì)方案：在飛行包線內(nèi)的幾個(gè)特定16傳感器技術(shù)傳感器系統(tǒng)的成本占到飛控系統(tǒng)成本的70%以上。功能：通過將各個(gè)傳感器信息有效地獲取、處理和融合，得到對(duì)無人機(jī)位置/速度/姿態(tài)等飛行狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)估計(jì)，使反饋閉環(huán)的構(gòu)成成為可能理論性問題：多傳感器的信息融合，是美國確定的無人機(jī)支撐技術(shù)之一。傳感器技術(shù)傳感器系統(tǒng)的成本占到飛控系統(tǒng)成本的70%以上。17傳感器的組合傳感器組合要考慮到信息的完備性、冗余性。通常的組合方案：INS+GPS+大氣信息系統(tǒng)。在全球鷹/捕食者等機(jī)型上成功使用。INS(慣性導(dǎo)航系統(tǒng))：陀螺儀+加表+磁航向表，得到姿態(tài)、加速度、角速率等信息。GPS：得到位置、高程、速度等信息大氣信息系統(tǒng)：靜壓計(jì)，空速表，得到氣壓高度和對(duì)空速度無線電高度表：飛行對(duì)地高度傳感器的組合傳感器組合要考慮到信息的完備性、冗余性。18傳感器選型原則器件可靠，滿足飛行環(huán)境要求性能良好，滿足飛行任務(wù)要求高集成度，降低后期開發(fā)難度體積小、重量輕低成本、低功耗傳感器選型原則器件可靠，滿足飛行環(huán)境要求19通信技術(shù)高帶寬、高可靠的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)是從地面對(duì)無人機(jī)實(shí)行有效監(jiān)控的關(guān)鍵技術(shù)，使得對(duì)無人機(jī)實(shí)施超視距遙控和干預(yù)成為可能。工程問題：遠(yuǎn)距離通信的中繼通信技術(shù)高帶寬、高可靠的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)是從地面對(duì)無人機(jī)實(shí)行有效監(jiān)20典型的無人機(jī)飛控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)原則：簡單、實(shí)用、可靠及低成本便于升級(jí)和擴(kuò)展符合總體要求具有一定的先進(jìn)性典型的無人機(jī)飛控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)原則：21傳感器系統(tǒng)包含如下子系統(tǒng)：飛行信息系統(tǒng)，集成有IMU、空速計(jì)、氣壓計(jì)、電子羅盤衛(wèi)星定位系統(tǒng)：北斗無源機(jī)+GPS(輔助)無線電高度儀設(shè)計(jì)目標(biāo)： 各傳感器信息融合后估計(jì)性能應(yīng)能達(dá)到：50～4000m范圍內(nèi)較精確的高度估計(jì)；0～0.677M范圍內(nèi)的速度估計(jì)；足夠的估計(jì)帶寬。具體的性能指標(biāo)應(yīng)由總體設(shè)計(jì)目標(biāo)給出。傳感器系統(tǒng)包含如下子系統(tǒng)：22主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)外圍設(shè)備不少于8串口的IO支持主頻不低于300Mhz研發(fā)階段要考慮本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)（類似于黑匣子）機(jī)載實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)支持-40~85℃寬溫主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)外圍設(shè)備不少于8串口的IO支持23控制律綜合在不要求大機(jī)動(dòng)飛行的前提下，控制律以完成定常飛行為主要目標(biāo)以經(jīng)典的設(shè)計(jì)方法(案)為首選彈射階段的控制介入問題控制周期的選擇要綜合控制帶寬和舵機(jī)的動(dòng)態(tài)特性來確定控制律綜合在不要求大機(jī)動(dòng)飛行的前提下，控制律以完成定常飛行為24執(zhí)行機(jī)構(gòu)(舵機(jī))在滿足定常飛行所需的操縱力矩和響應(yīng)速度的前提下，盡可能選擇重量輕，耗能小的型號(hào)執(zhí)行機(jī)