幾種典型飛行品質對無人機的適用性研究

王鋒, 祁圣君, 張喆

(中國飛行試驗研究院 飛機所, 陜西 西安 710089)

幾種典型飛行品質對無人機的適用性研究

王鋒, 祁圣君, 張喆

(中國飛行試驗研究院 飛機所, 陜西 西安 710089)

針對當前無人機飛行品質研究現狀,結合無人機特點,對靜穩定性、模態特性和時間延遲等飛行品質基本內容,以及CAP準則、Neal-Smith準則、帶寬準則和Gibson準則等典型評估準則對無人機的適用性進行了分析研究,提出了使用建議,對無人機飛行品質的研究具有一定的借鑒作用。

無人機; 飛行品質; 評估準則; 適用性

0 引言

無人機飛行品質的研究一直滯后于無人機的發展,究其原因主要有兩方面:首先是無人機發展較為迅猛,而無人機的飛行品質研究工作沒有得到并行開展;其次，無人機因其自身特點使得無人機飛行品質研究較為困難,主要體現在無人機執行任務時是一個閉環的、高度集成的飛行控制系統,飛行品質評價的行為主體不同于飛機等方面[1]。

目前國際上對無人機飛行品質的研究均是借鑒有人駕駛飛行器飛行品質標準,本文基于無人機的特點,針對飛機飛行品質對無人機的適用性進行了分析和研究。

1 飛機飛行品質的發展

飛機的飛行品質研究始于1903年,美國飛機飛行品質的發展歷程即為最典型的代表。很多文章對美國飛機飛行品質的發展進行了詳細闡述,這里不再贅述。飛機飛行品質的發展歷程具有以下幾個特點:

(1)突出人作為飛行品質評價的主體。飛行品質最初期的指標只有一條:“飛機的結構要足夠簡單,并且能夠使駕駛員在合理的時間內能熟練的使用。”充分地肯定了人作為飛行品質的主體地位,隨著飛行品質的發展,這種主體地位越來越強。

(2)在飛行品質發展過程中采取典型的模態特性對飛機進行評價。從1969年修訂的飛行品質MIL-F-8785B開始,采用了長短周期、荷蘭滾、螺旋、滾轉等模態特性對飛機的動態響應特性進行了量化描述,進一步明確了飛行品質的具體內容[2]。

(3)重視飛機的高階特性。從MIL-STD-1797開始,針對電傳飛機的出現,飛行品質中考慮了飛機的高階特性。

當然飛行品質的發展還有很多特點,本文僅從與無人機相關的角度將飛機飛行品質發展中的幾個特點進行闡述,期望對無人機的飛行品質研究起到借鑒作用。

2 飛機飛行品質基本內容對無人機的適用性

2.1 靜穩定性

飛機飛行品質對靜穩定性要求的主要目的是阻止空速和迎角發散,是為了避免飛行員在“忙碌”的情況下,沒有對飛機進行有效補償而導致飛機處于一個不安全的飛行狀態,或者可能發生失控、不能安全返航等情況[3-4]。因此這個要求主要是確保飛行員在控制回路中,但不對飛機進行補償時,飛機仍具有一定程度的靜穩定性。雖然自動控制模式下的無人機沒有駕駛員操縱導致的發散情況,并且也無法觀察空速發散狀態,但是刪除閉環靜穩定性的要求,會導致無人機在飛行包線內的某些狀態產生不穩定的現象,因此有必要要求飛機在擾動下不會產生迎角或空速發散。對遙控駕駛模式來說,由于操縱時間延遲的原因,對地面飛行員補償能力的要求將大大提高,因此對靜穩定性的要求依然有必要。

2.2 慢速動態響應模態

(1)長周期特性

在飛機飛行品質中長周期有三個等級,其中等級1要求飛機的阻尼比大于0.04,等級2和3分別允許0阻尼和輕微的不穩定模態存在[3-5]。無論是電傳飛機還是無人機,控制律均可有效地消除長周期模態。對于無人機在完成某些任務時可能需要飛機具有速度和高度保持等模態,這要求長周期模態需具有大阻尼特性;因此長周期方面的內容建議在無人機中保留,但具體指標需根據無人機系統以及執行的任務綜合考慮。

(2)螺旋模態

在飛機飛行品質規范中,允許螺旋模態不穩定,并且根據飛機受到不大于20°的滾轉擾動后,該模態發散的倍幅時間給出了等級1～3的相關要求[3-5]。自主控制的無人機缺少了駕駛員的參與,螺旋模態可能導致發散甚至墜毀,自主控制下不允許無人機螺旋發散,因此對螺旋模態的要求很有必要;同時,遙控模式下螺旋發散大大增加了飛行員補償的能力。受限于無人機系統較大的時間延遲等因素,操縱飛機時對飛行員有很高的要求,極易發生事故,因此對螺旋模態嚴格要求對無人機來說很有必要。

2.3 快速動態響應模態

飛機的短周期、荷蘭滾和滾轉模態品質規范是為了保證飛機的快速響應,同時避免駕駛員誘發振蕩,提供良好的抗擾動特性以及保證飛機響應不會影響到飛行員駕駛飛機時的判斷和操縱[3-5]。這些飛行品質的模態特性均是基于駕駛員補償下的任務性能和飛行器穩定性與操縱性之間的相互關系而進行評價的;因此無人機缺少了飛行員的參與,將降低品質和操縱方面的要求,而對于依賴駕駛員補償才能執行或完成的任務的要求,在飛行器設計階段會變得更加嚴格一些。

無人機的響應特性與飛機相比更加繁多,在遙控操縱模式下,無人機的響應與飛機比較近似。但根據無人機種類的不同,響應可能不再代表飛機的機動性等指標,這些響應特性仍然與飛行員操縱飛機完成任務的能力息息相關;因此該項考核對遙控駕駛飛機來說仍然有必要,但類似于評價的邊界指標需重新審定。在自主模態下,類似于姿態保持這樣的響應完全不同于飛機。雖然內回路作為增穩控制回路的本質沒有變,但飛行品質考核的是飛機整體的響應,因此類似于短周期、荷蘭滾和滾轉等模態在自主模式控制下的考核雖然不應取消,但考核指標可以弱化。

2.4 時間延遲

飛機的時間延遲分為有效時間延遲和等效時間延遲。這兩種時間延遲概念對無人機均存在一定程度的不適用性[5]。

飛機的等效時間延遲是基于對高階系統的低階等效實現的。主要適用于飛機的短周期響應,飛行品質等級要求為1級0.10 s,2級0.20 s,3級0.25 s。首先是等效過程發生了改變,無人機的各種響應或者模態等效所選取的頻率范圍將發生很大改變,完全由傳感器或者飛行控制系統的特性決定;同時還必須注意到無人機系統的組成較為復雜,高階系統包含的信息量更為龐大,要想實現對這種高階系統的降階處理較為困難;其次是無人機的時間延遲構成問題,無人機時間延遲的一個主要組成部分是數據鏈路延遲,數據鏈路的時延量級最小約為0.1 s(視距內傳輸),采用等效時間延遲對無人機的延遲進行等效,極易發生失配現象。

而飛機飛行品質中另外一種時間延遲是有效時間延遲,這種時間延遲主要考核短周期在階躍輸入下的俯仰角速度響應,即對機動性的考慮。而對于無人機系統的時間延遲,有效時間延遲所作的假設基本可以忽略不計(飛行員的感覺并不明顯,主要是因為從舵面到飛機響應的延遲較數據鏈路的延遲較小)。因此建議無人機的時間延遲可以綜合等效時間延遲和有效時間延遲的概念,僅考慮系統指令到飛機響應的時間差,忽略對機動性能的考慮,時間延遲指標將嚴格區別于飛機;同時針對遙控模式和自主模式分別考慮,甚至將指令控制這些新的控制模式考慮在內[6]。

除了以上幾種典型模態的飛行品質要求,還應該注意起降階段操縱特性、地面站人機工效特性等。

3 飛機飛行品質評估準則對無人機的適用性

目前,飛行品質標準關于評估準則的有CAP準則、Neal-Smith準則、帶寬準則以及時域內的回落準則等。這些準則在飛機飛行品質中得到了廣泛的應用,但對無人機飛行品質的適用性還有待進一步的研究[7]。

(1)CAP準則

最初的飛行品質標準中對短周期的要求主要包括自然頻率和阻尼比,并沒有將短周期傳遞函數中的分子(1/Tθ2)考慮在內,而1/Tθ2主要影響了飛機的機動性,因此引入了CAP準則。CAP準則也稱操縱期望參數,定義為飛機初始的俯仰角加速度與穩態過載之間的比值(CAP)。這一比值將人對俯仰角加速度和飛機過載變化的感受關聯起來[3],表示為[8]:

人體對俯仰加速度十分敏感,并且會首先把飛機的運動變化反饋給飛行員。飛機預期的俯仰變化會產生迎角α,并隨著飛行軌跡的變化導致過載的變化。飛行員感受到飛機過載的變化,并以此控制飛機飛行軌跡。要通過人把這一過程閉環起來,就要求俯仰姿態加速度和飛機過載之間的動態響應關系必須在人的感受能力之內。

飛機品質規范中的CAP評價指標反映了飛行員對飛行運動的人為感知能力,以及對飛機短周期模態的反應和控制能力。無人機行為主體發生了很大變化[3]:對于遙控模式,地面站的飛行員感受不到過載,無法感受過載變化進而有效控制飛機;對自主控制的無人機來說,行為主體變為傳感器和控制系統,必須考慮傳感器和控制系統的特性,因此CAP推薦的指標不再適用。

(2)Neal-Smith準則

該準則也稱閉環準則,主要是以閉環共振峰值和帶寬處駕駛員的相位角(對應于駕駛員補償)作為評定參數,評定飛機的飛行品質。Neal-Smith準則模型如圖1所示[5]。

圖1 Neal-Smith準則模型Fig.1 Model of Neal-Smith criterion

確定飛行員模型時,首先確定帶寬值(帶寬ωbw定義為閉環頻率特性相位為-90°處的頻率值)最小為3.5 rad/s,幅值特性下降-3 dB;然后通過閉環頻率特性要求采用尋優算法求得Kp,Tp1和Tp2,確定駕駛員模型;最后通過得到的駕駛員模型,計算人機系統閉環頻率特性得到閉環共振峰值的最大值和飛行員補償相位角,根據圖2對飛行品質進行評定。

圖2 Neal-Smith準則評估圖Fig.2 Evaluation diagram for Neal-Smith criterion

對遙控模式下的無人機,假設該準則適用,則因為無人機時間延遲等因素對飛行員補償的能力要求特別高,并且遙控駕駛模式下的時間延遲補償將變相地綜合到飛行員模型上。這和Neal-Smith準則依靠飛行員負荷程度評估飛行品質準則的思路相悖。自主控制的無人機行為主體已不存在,因此該準則對自主模態也不適用。

(3)帶寬準則[3,5,7]

帶寬準則主要是由規定的開環系統帶寬和時間延遲τp的相互關系確定飛行品質的等級。ωbw為飛機俯仰姿態對駕駛員操縱力或位移輸入的反應至少具有45°的相位裕度和6 dB增益裕度的最高頻率,其帶寬可通過圖3求得。

相位帶寬頻率ωbwφ是在相位圖線上比-180°橫線高45°的相位所對應的頻率;增益帶寬頻率ωbwG是在增益圖線上該頻率對應的增益比180°截止頻率ω180°對應的增益少6 dB。最終的帶寬頻率ωbw為ωbwG和ωbwφ中的較小者。如果ωbw=ωbwG,則該系統為增益裕度限制系統;ωbw=ωbwφ,則系統為相位裕度限制系統。時間延遲為:

τp=-(φ2ω180°+180°)/(57.3×2ω180°)

式中,ω180°為對應于-180°相角的頻率;φ2ω180為兩倍于ω180°的頻率對應的相角。利用τp和ωbw的關系便可確定系統的飛行品質等級,如圖4所示。

圖3 帶寬定義示意圖Fig.3 Definition of bandwidth

圖4 帶寬準則要求Fig.4 Requirements for bandwidth criterion

帶寬準則是Neal-Smith判據準則的一個演化。帶寬準則并沒有指定最小的閉環俯仰姿態跟蹤帶寬,所以其允許的帶寬頻率變化使該準則使用更廣,適用于不同大小的飛機;對敏捷的戰斗機具有較高的帶寬要求,而對等重的貨機會具有較小的帶寬要求。如圖5所示,帶寬準則也反映了絕大多數的飛行品質指標,這些指標通常按具有低階系統特性的經典飛機描述,如CAP準則。從θ/δe等傳遞函數可以看出,閉環誤差的調節品質依賴于駕駛員放大短周期根ωsp,而使得該根不進入右半平面(不穩定)[7]。

圖5 縱向根軌跡圖Fig.5 Longitudinal root locus control diagram

從圖5可以看出,ωbw只取決于ωsp,ζsp,1/Tθ2和τe,因此帶寬準則從一定程度上反映了這些飛行品質指標。

總體來說,帶寬準則對無人機有較強的適用性。首先帶寬準則主要應用于高階系統,并綜合了飛機飛行品質中的幾個飛行品質判據準則,能預測PIO或控制系統引起的無人機的極限環振蕩,對作為復雜電傳系統的無人機較為實用;其次帶寬判據準則獨立于飛機的響應類型,對飛機的響應類型并不關注,因此適用于響應類型多變的無人機;同時可以看到,該準則主要從穩定性角度出發,還適用于短周期模態以外的模態,對無人機可能帶來的新模態提供了技術支持。

(4)Gibson時域準則

Gibson的時域準則是利用回落值作為對時域可接受的俯仰(姿態)響應進行量化,主要考核對階躍輸入下時間響應特性。該時域準則等級目前還沒有確定,但能給短周期時間響應提供一定程度的指導[7]。雖然對于經典的短周期響應,該準則能給出指導,但是對于類似于無人機這樣包含飛機控制系統的高階系統,卻不能給出其中的關聯性;另外,該準則的邊界和衡量尺度與人能夠補償控制系統缺陷的能力密切相關。因此總體來說,該準則對無人機并不適用。

綜上所述,現有的飛行品質準則中只有帶寬準則對無人機較為適用,然而考慮到無人機的行為主體發生了變化,帶寬判據準則中的飛行員模型和準則邊界均不再適用于無人機。傳感器替代了飛行員,帶寬準則應用于無人機的重點是如何使得傳感器與無人機系統綜合統一。

4 結束語

隨著無人機的發展,開展對無人機飛行品質的研究愈加重要,由于受限于無人機種類多樣且發展迅猛,因此對無人機飛行品質的研究一直沒有突破性進展。本文以飛機的飛行品質為基礎,根據無人機的特點對幾種典型飛行品質內容和評估準則進行了研究和探討;從研究飛機飛行品質對無人機的適用性出發,探索無人機飛行品質基本內容和評估準則的研究思路,對無人機飛行品質的研究具有一定的借鑒作用。

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ResearchonapplicabilityoftypicalflyingqualitiestoUAV

WANG Feng, QI Sheng-jun, ZHANG Zhe

(Aircraft Flight Test Technology Institute, CFTE, Xi’an 710089, China)

In allusion to the present study of UAV flying qualities and considering the characteristics of UAV, this paper analyzes and studies the applicability of basic flying qualities such as static stability, mode characteristics and time-delay, and typical evaluation criteria such as CAP, Neal-Smith, Bandwidth and Gibson to UAV. Furthermore, some effective suggestions presented in this paper could provide a reference for the future study of UAV flying qualities.

UAV; flying qualities; evaluation criterion; applicability

V279; V212

A

1002-0853(2013)05-0389-05

2013-01-06;

2013-05-09; < class="emphasis_bold">網絡出版時間

時間:2013-08-21 18:47

王鋒(1983-)，男，陜西臨潼人，工程師，主要從事飛行控制與飛行品質研究；祁圣君(1982-)，男，黑龍江哈爾濱人，工程師，主要從事飛行控制與飛行品質研究。

(編輯：李怡)