飛行器AFCS的穩(wěn)定性淺析

中國(guó)人民解放軍92419部隊(duì) 曹 勇

1 引言

無人機(jī)（Unmanned Aer ial Vehicl e，簡(jiǎn)稱UAV），就是無人駕駛的飛機(jī)，它起初是用于訓(xùn)練使用的[1]。從上世紀(jì)九十年代開始，無人機(jī)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，逐漸開始替代有人機(jī)執(zhí)行各種任務(wù)。如今，無人機(jī)已經(jīng)成為各國(guó)航空領(lǐng)域的重要研究方向。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等眾多優(yōu)點(diǎn)，可以到達(dá)很多有人機(jī)無法到達(dá)的危險(xiǎn)區(qū)域。無人機(jī)的安全飛行，離不開其飛行控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱AFCS)。飛行控制系統(tǒng)就相當(dāng)于無人機(jī)的大腦。最初的UAV是依靠自駕儀來調(diào)整姿態(tài)的，現(xiàn)在的無人機(jī)的AFCS已經(jīng)不單獨(dú)設(shè)置此類機(jī)構(gòu)了[2]。無人機(jī)很多時(shí)候要進(jìn)行自主飛行，其自主飛行控制如圖1所示。UAV主要有無線電、慣性、GPS三種導(dǎo)航方式[3]。

圖1 自主飛行控制圖

2 飛控設(shè)計(jì)原理

無人機(jī)往往框架小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，難以飛行太高，在設(shè)計(jì)過程中，更多的依據(jù)現(xiàn)有的成熟技術(shù)，通過計(jì)算流體力學(xué)（CFD）來進(jìn)行建模并應(yīng)用FLUENT等軟件進(jìn)行仿真。無人機(jī)和AFCS構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。AFCS主要由測(cè)量元件、信號(hào)調(diào)理電路、控制系統(tǒng)、阻尼器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。為保證無人機(jī)的安全飛行，最重要的是保證無人機(jī)的正確姿態(tài)和航跡。控制無人機(jī)的姿態(tài)主要依靠俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航三個(gè)方向的速率陀螺；控制無人機(jī)的航跡主要依靠GPS定位信息，不斷修正，按照預(yù)定的方向飛行。無人飛行器的起飛階段以及回收階段往往通過手控操作執(zhí)行，正常起飛后往往通過程控飛行[4]。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)，知道飛機(jī)的升力公式為式（1.1）。當(dāng)飛機(jī)下表面壓力大于上表面壓力時(shí)，飛機(jī)才能產(chǎn)生向上的運(yùn)動(dòng)。飛行過程中，通過高度傳感器來傳遞高度信息，通過空速傳感器來傳遞空速信息，為地面操作人員提供重要的判斷依據(jù)。

式中：Y----升力；Cy----升力系數(shù)；r----空氣密度；v----來流速度；S----有效面積。

3 可控性分析

UAV飛行性能的好壞，主要取決于其可控性，又受重量和慣量的影響，通過穩(wěn)定性和操縱性體現(xiàn)出來，這兩種性能相互聯(lián)系又有一定的區(qū)別。不同的氣動(dòng)布局，不同的艙室設(shè)置，都決定了無人機(jī)不同的性能和狀態(tài)，因此改變其穩(wěn)定性和操縱性的方式也不盡相同，常用的方法有設(shè)計(jì)增穩(wěn)系統(tǒng)以及安裝阻尼器兩種。增穩(wěn)系統(tǒng)是通過增加一些反饋設(shè)計(jì)，不改變?cè)Y(jié)構(gòu)，將一些力或形變轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，進(jìn)一步反饋給控制器，由控制器進(jìn)行解碼，變成伺服機(jī)構(gòu)可以識(shí)別的語言，產(chǎn)生動(dòng)作，保持無人機(jī)的穩(wěn)定性[5]。阻尼器的工作原理是增加阻尼，使操縱面趨于平穩(wěn)。為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需要獲取三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)速率的反饋信息，使無人機(jī)系統(tǒng)形成一個(gè)閉環(huán)。一般可以將這兩種方式進(jìn)行融合，改善阻尼特性，減小瞬間擾動(dòng)，對(duì)于速度不高、過載不大的飛行器來說，是可以實(shí)現(xiàn)的。阻尼器發(fā)揮了反饋和核對(duì)的作用，它一方面阻止角速度的快遞變化，另一方面又不改變飛行器正常的動(dòng)作，按照飛控器的指令執(zhí)行。

控制律設(shè)計(jì)主要包括空速保持、高度保持、航線保持等三種。高度信息決定了油泵的工作，空速信息決定了升降舵的工作，航向角決定了方向舵的工作。空速信息極其重要。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)，我們知道通過調(diào)整俯仰角能夠改變無人機(jī)的速度。雖然這樣操作會(huì)在高度上有所影響，但能夠讓無人機(jī)空速穩(wěn)定在安全區(qū)域內(nèi)。此時(shí)，高度出現(xiàn)了變化。任何事物的能量都包括動(dòng)能和勢(shì)能兩部分。無人機(jī)高度增加，也就是勢(shì)能的增加，這時(shí)需要使發(fā)動(dòng)機(jī)工作，通過改變動(dòng)能來改變勢(shì)能，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)高度的調(diào)整。衛(wèi)星定位信息是控制航向的重要依據(jù)，包括無人機(jī)的方位和航向。阻尼器的安裝使用，可以使無人機(jī)減弱外界的干擾影響，保持正確的航向飛行。

4 傳感器應(yīng)用

傳感器可以測(cè)量溫度、壓力等外部物理量，并將這些物理量轉(zhuǎn)換成飛控系統(tǒng)能夠識(shí)別的電子信號(hào)[6]。常用于飛行器上的傳感器有無線電高度表、GPS、溫度傳感器等。傳感器獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，否則控制就無從談起。壓阻式傳感器是利用的電橋原理。通過計(jì)算得到高度信息。壓電式傳感器能感知力，它獲取的信息都能與相應(yīng)的力轉(zhuǎn)化。當(dāng)它受到外界影響時(shí)，會(huì)生成不同的電子移動(dòng)，通過電流的形式表現(xiàn)出來。最終形成脈沖信號(hào)，控制舵機(jī)完成相應(yīng)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行姿態(tài)和高度的控制。

5 結(jié)論

無人機(jī)在軍事和民事領(lǐng)域都越來越得到重視，無人機(jī)要實(shí)現(xiàn)自主飛行，其飛控系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。本文以小型、低速飛行器為研究對(duì)象，對(duì)其飛行控制系統(tǒng)的工作原理、力學(xué)特性、穩(wěn)定性及操縱性、傳感器技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹和分析，重點(diǎn)對(duì)阻尼反饋閉環(huán)和控制律進(jìn)行了闡述，做了一定程度的探索性工作，結(jié)合增穩(wěn)系統(tǒng)提出了設(shè)計(jì)方案，為提高UAV的穩(wěn)定性提供了新的思路。本文結(jié)論對(duì)實(shí)際工程具有一定的參考價(jià)值。

[1]《國(guó)內(nèi)外無人機(jī)大全》編寫組.國(guó)內(nèi)外無人機(jī)大全[M].北京:航空工業(yè)出版社,2001.

[2]張明廉,等.飛行控制系統(tǒng)[M].北京:航空工業(yè)出版社,1994.

[3]龍燕.高靜穩(wěn)定性無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)研究[D].四川大學(xué),2003.

[4]方曉,雷金奎,劉志剛.小型無人偵察機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].飛行力學(xué),2004,22(1):37-40.

[5]宋翔貴,等.電傳飛行控制系統(tǒng)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2003.

[6]沈幸農(nóng),王永紅.傳感器及應(yīng)用技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.