無人直升機關(guān)鍵技術(shù)和難點技術(shù)分析

無人直升機關(guān)鍵技術(shù)和難點技術(shù)分析無人直升機是一種機上無人駕駛的飛行器。在導(dǎo)航方面，無人直升機使用自適應(yīng)擴(kuò)展卡爾曼算法（EKF），把IMU、地磁傳感器、GPS、氣壓高度計和地形匹配高度計等傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度融合，這樣在惡劣條件下，如高震動和單一傳感器數(shù)據(jù)不真實等情況下，也可得到高精度高可靠性的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，以此來保證控制命令的準(zhǔn)確性。在控制方面，無人直升機多使用了自適應(yīng)魯棒控制。對風(fēng)的切變、任務(wù)負(fù)載的突然變化等干擾有很強的魯棒性，增加了飛控指令的有效性，以此來保證飛行的安全。對機械磨損、任務(wù)負(fù)載、重心等變化有很強的自適應(yīng)性，保證了飛行的精度和安全。無人直升機可以進(jìn)行速度控制也可以進(jìn)行姿態(tài)控制，尤其姿態(tài)控制，可以有效的保證惡劣條件下的飛行安全。在電子平臺方面，無人直升機使用在嵌入式領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的的ARM硬件平臺，體積小、重量輕、可靠性高，可以滿足需要。無人直升機可以實現(xiàn)自主起飛、自主降落、自主任務(wù)飛行和地形匹配飛行等功能，完全替代駕駛員飛行使其發(fā)展方向。

當(dāng)然無人直升機也具有天生的缺點。首先就是直升機的低飛行速度，氣動、動力學(xué)和聲學(xué)等各方面因素使常規(guī)直升機的飛行速度難以超越固定翼飛機，飛行速度低嚴(yán)重限制了直升機的使用和發(fā)展；二是無人直升機保護(hù)措施不如固定翼直升機，后者出現(xiàn)險情可開傘保護(hù)，即傘降回收：而前者一旦出現(xiàn)重大故障，損失基本無法換回，因為它有旋翼，無法實現(xiàn)傘降回收。三是由于直升機本身結(jié)構(gòu)的特點，使得無人直升機的空氣動力學(xué)、飛行力學(xué)問題較復(fù)雜，無人直升機操縱通道多、耦合較強，是一種穩(wěn)定性差、控制難的飛行器，其操縱和飛行控制要比有人駕駛直升機和固定翼無人機更困難；此外，無人直升機一般尺寸都較小，發(fā)動機功率也不大，因此速度和升限較低（一般速度﹤300km/h，升限﹤5000m），有效載荷較小，若用于軍事，容易被對方定位，且應(yīng)用范圍有所限制。

2無人直升機的關(guān)鍵技術(shù)和難點技術(shù)分析

2.1直升機平臺技術(shù)

有人直升機已經(jīng)有幾十年的技術(shù)基礎(chǔ)，技術(shù)比較成熟，但是動力學(xué)建模問題、飛行控制問題等都與平臺設(shè)計技術(shù)密切相關(guān)，因此從無人直升機系統(tǒng)研究的角度來看，平臺技術(shù)仍然不可低估，只有將直升機平臺設(shè)計與用戶用途及使用環(huán)境、飛行控制、自主起降等緊密結(jié)合，才能設(shè)計出性能優(yōu)良的無人直升機系統(tǒng)，例如無人直升機的高抗風(fēng)能力不僅需要先進(jìn)的飛行控制算法，而且與平臺本身的旋翼設(shè)計密切相關(guān)。

2.2飛行控制技術(shù)

飛行控制技術(shù)是無人直升機研究的重點，也是最大的難點。

無人直升機是一個多變量、非線性、強耦合、時變的高階系統(tǒng)，是一個復(fù)雜的被控對象，其主要特點體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）對象特性差異顯著。無人直升機的縱向、橫向和航向運動具有強的耦合性，這些耦合主要表現(xiàn)在旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生偏航力矩，橫滾機動時槳葉揮舞引起俯仰力矩，俯仰機動引起橫滾力矩，前飛速度變化時尾槳拉力變化引起偏航力矩。當(dāng)無人直升機懸停/小速度飛行時，縱向/橫向耦合明顯；而當(dāng)無人直升機中/高速前飛時，縱向/高度耦合明顯。這種顯著的耦合特性差異使得無人直升機控制系統(tǒng)在全飛行包線設(shè)計時必須充分考慮懸停/小速度和前飛兩種狀態(tài)，同時具有良好的解耦性和魯棒性。

2）模型階次高且建模難度大。無人直升機模型除了剛體動力學(xué)模型外，還有旋翼動力學(xué)模型、尾槳動力學(xué)模型、水平安定面和垂直尾翼等共同構(gòu)成完整的直升機對象特性，如果用數(shù)學(xué)方式表示，則無人直升機的數(shù)學(xué)模型至少可達(dá)27階。如果再與發(fā)動機、傳感器等特性綜合在一起，則階次會更高。直升機旋翼的氣動載荷計算是一個復(fù)雜的問題，而且直升機具有多變量、非線性交耦和柔性結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性，在理論上要精確建立無人直升機飛行動力學(xué)的數(shù)學(xué)模型目前尚未解決，尤其不易準(zhǔn)確建立6自由度非線性、交耦的動力學(xué)模型。因此無人直升機的控制系統(tǒng)必須具有較強的魯棒性和模型弱相關(guān)性。

3）非線性特性強。從系統(tǒng)角度分析，無人直升機的非線性主要存在于數(shù)學(xué)模型的非線性和執(zhí)行機構(gòu)的非線性上。由于旋翼動力特性的非線性效應(yīng)嚴(yán)重，無人直升機不僅在不同飛行狀態(tài)時的特性差異較大，而且即使在同一飛行狀態(tài)，當(dāng)施加機動操縱量時，也會激發(fā)出強非線性響應(yīng)。同時，由于無人直升機通道之間的固有耦合嚴(yán)重，一個通道的執(zhí)行機構(gòu)非線性不僅影響本通道的飛行響應(yīng)，還會較強地影響到其他通道的響應(yīng)。所以在進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計時，必須對無人直升機的非線性有正確的認(rèn)識，并且克服閉環(huán)系統(tǒng)所產(chǎn)生的非線性。

4）飛行模態(tài)數(shù)量多。無人直升機具有多種飛行模態(tài)，且模態(tài)之間可組合的數(shù)目更多。正是由于直升機可擁有多種飛行模態(tài)，才使直升機具有在復(fù)雜飛行環(huán)境下完成特殊任務(wù)的能力。因此，飛行控制系統(tǒng)不僅要實現(xiàn)不同的飛行模態(tài)功能，而且需要提供良好的模態(tài)切換機制，使無人直升機在模態(tài)切換過程中能夠保持良好的飛行品質(zhì)。

5）高階動力學(xué)特性對操縱品質(zhì)的影響大。如果在設(shè)計控制系統(tǒng)時忽略無人直升機模型中的高階環(huán)節(jié)，那么當(dāng)控制系統(tǒng)設(shè)計出來之后，會發(fā)現(xiàn)高階動力學(xué)特性對飛行操縱品質(zhì)的影響十分嚴(yán)重，尤其對于寬頻帶的控制系統(tǒng)，很大地影響了系統(tǒng)的帶寬和相位遲后指標(biāo)。因此，在設(shè)計控制器時必須準(zhǔn)確把握無人直升機的高階環(huán)節(jié)，才能使無人直升機的飛行品質(zhì)進(jìn)一步得到提高。另外，無人直升機的控制系統(tǒng)必須將有人直升機中飛行員操縱直升機平衡、補償、解耦等技術(shù)準(zhǔn)確地反映到飛行控制系統(tǒng)設(shè)計中，并需具備與有人駕駛/遙控直升機相當(dāng)?shù)倪\動性和機動能力，因此無人直升機對象特性研究遠(yuǎn)比有人駕駛直升機要求高。

先進(jìn)控制理論的控制性能是無可置疑的，但是目前大多數(shù)先進(jìn)控制理論仍處于實驗室研究階段，與工程具體實現(xiàn)還存在一定的距離。如H∞控制理論是魯棒控制中最常用的方法，其理論和算法實現(xiàn)上都已基本成熟，但應(yīng)用H∞魯棒控制設(shè)計出來的多為高階控制器，很多仍無法工程實現(xiàn)。如要工程實現(xiàn)，只能降維處理，而降維后控制器的魯棒性也必然隨之下降，這樣控制系統(tǒng)的魯棒性就難以保證；L分析方法目前也只適用于各通道模型結(jié)構(gòu)攝動形式統(tǒng)一的情況，與實際工程情況嚴(yán)重不符；魯棒控制中很多控制方法屬于線性設(shè)計方法，而所有通過線性設(shè)計方法設(shè)計出來的控制器都只能在現(xiàn)實的平臺中進(jìn)行檢查和進(jìn)一步驗證，調(diào)整控制結(jié)構(gòu)以及控制參數(shù)的過程繁瑣，而且在調(diào)整的過程中，飛機的安全性和穩(wěn)定性受到一定的破壞；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雖然能較好解決無人直升機系統(tǒng)中的一些非線性和模型攝動問題，但控制器的控制效果與模型的精確性有一定的相關(guān)性；模糊控制盡管不需要精確的控制模型，卻對環(huán)境的自適應(yīng)能力較差等。

此外，現(xiàn)代無人直升機的使用要求越來越高，所執(zhí)行的任務(wù)也越來越復(fù)雜，存在的一個突出問題就是飛行的自主程度。要提高無人直升機的自主性，人工智能控制技術(shù)是一個有效的途徑。這就需要一些智能化的小型機載綜合傳感器和任務(wù)管理軟件，保證通信鏈接，完成無人機與操縱人員間的交互。這不僅使無人機能夠確保按命令或預(yù)編程序來完成預(yù)定任務(wù)，對預(yù)知的目標(biāo)做出判斷，還能對隨機出現(xiàn)的目標(biāo)和事件做出反應(yīng)。

2.3飛行仿真技術(shù)

在先進(jìn)控制技術(shù)的仿真和驗證方面，由于直升機飛行力學(xué)在飛行包線內(nèi)是一個非線性對象，所設(shè)計的控制律必須通過非線性仿真環(huán)境才能得到全面驗證。如何建立更加準(zhǔn)確、全面的無人直升機系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，如何將仿真試驗與實際飛行試驗相結(jié)合，兩者如何進(jìn)行實時通訊是仿真試驗進(jìn)一步提高飛行安全、縮短研制周期、降低研制成本的一個重要課題。

2.4無人直升機生存能力

直升機相對固定翼飛機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相當(dāng)一部分零部件工作在交變載荷下，導(dǎo)致壽命大大降低，這不但給無人直升機的使用維護(hù)帶來麻煩，同時也嚴(yán)重影響了系統(tǒng)可靠性，因而需要通過合理的結(jié)構(gòu)、強度以及余度設(shè)計來提高零部件壽命、增強系統(tǒng)可靠性，提升無人直升機的生存能力。

無人直升機速度小、飛行高度低，其隱身性能就顯得更加重要。因此，增強軍用無人直升機的隱身性能、提高其戰(zhàn)場生存率將是一個發(fā)展趨勢。采取的措施包括氣動外形采用隱身設(shè)計、大量使用復(fù)合材料和減低RCS涂料，以滿足雷達(dá)隱身要求。同時還需要考慮無人機的紅外和噪聲隱身。

2.5無人