小型無人直升機的飛行控制系統

李秋生+于志剛+陽朱華

摘 要 小型無人直升機在很多行業中都有應用，例如地質探查、地理測繪、農業種植等等，無人機的研發和使用給很多行業工作的開展帶來了非常多的便利。我國運用小型無人直升機的歷史還不是非常久遠，所以相關的技術也不是非常的完善，直升機在飛行過程中，容易出現操控困難、墜毀等問題。本文研究的蛀牙方向就是關于小型無人直升機的飛行控制系統設計，以全面提高無人直升機的飛行系統，降低其飛行難度，使之變得更加的易于操控。

【關鍵詞】小型無人直升機 飛行系統設計 飛行控制特性

小型無人直升機的飛行控制系統是直升機最重要的部位，也是核心部位，如果無法實現良好的飛行，直升機的其它功能也將難以展現。在實際設計的過程中，很多技術人員都遇到了飛行控制難題，這使得無人機設計進入了長時間的瓶頸期，設計速度也隨之降低。

1 小型無人直升機飛行控制特性分析

1.1 建模困難

小型無人直升機在飛行過程中，容易受到外界氣流干擾。此外，由于超小型無人直升機選擇體積小，重量輕，易變形的材料，因此難以建立精確的動力學模型。此外，對于微旋翼氣動問題，建立旋翼數學模型時需要解決低雷諾茲數問題，雷諾茲數對微旋翼提升特性的影響很大。要建立較為復雜的旋翼數學模型，要求旋翼控制系統必須設計具有較強的魯棒性和弱相關性模型。

1.2 欠驅動

無人直升機的六個空間運動度使得起飛行控制系統存在嚴重的缺陷，也就是欠驅動性。旋翼轉速的控制輸入量存在不足，因此，小型無人直升機是一個典型的欠驅動系統。飛行控制系統欠驅動主要是因為其非線性特點，所以不能夠全面的反映其線性化特點，所以其飛行控制系統設計較為復雜，且控制存在一定的困難。關于欠驅動系統的研究一般是針對結構相對單一的系統，或者是移動機器人，適合用在欠驅動旋翼的控制系統還比較欠缺。

1.3 強耦合

小型無人直升機需要使用多個輸入控制輸出六個自由度，因此它具有高度的耦合特性，控制輸入的任意一個旋翼的轉速變化都會影響到至少三個自由度。例如，增加旋翼左旋轉速度，其他三個旋翼的轉速恒定，會使飛機由于旋翼拉力差出現翻轉；同時，也可能出現向右平移的情況；此外，根據旋翼和旋翼不平衡產生的反轉扭矩反應，也可導致飛機橫擺到左邊。此外，直升機的左右旋翼之間也會由于這樣的力量差導致飛機偏離制定航向，直升機飛行姿態和飛行位置之間同樣存在強耦合。由于直升機旋翼具有良好的耦合特性，旋翼在全飛行包線控制系統設計時，必須充分考慮各種可能的飛行狀態，以保證控制系統具有良好的解耦性和魯棒性。

1.4 受外界影響大

小型無人直升機在空中，外部環境，例如會通過空氣、風的影響，會對飛機的飛行產生不利影響，尤其是超小型小型無人直升機體積小，重量輕，速度低，更容易受到外部擾動的影響。通過設計具有很強的魯棒性控制系統、自適應能力強的飛行控制并不能完全解除外界干擾，只有通過分析時變氣動特性和非線性飛行力學特性，以此為基礎，展開飛行控制系統設計，才能盡可能的使無人機在抵御外界干擾的情況下，保持平穩飛行。此外，因為大多數的小型無人直升機旋翼采用柔性材料，質量輕，陣風擾動對升力和阻力特性存在較大影響，旋翼變形后直升機的飛行控制室一個較為實際的設計問題。

2 小型無人直升機的飛行控制系統設計

2.1 數學建模

要達到對直升飛機飛行的有效控制，首先應該了解各種環境和狀態下的直升機動態特點，了解起旋翼的特性，以此為依據建立數學模型。我們根據上文所描述的關于直升機旋翼的各種動力學特性，建立一個關于直升機旋翼控制的數學模型，分析其中存在的動力學問題。常用的數學建模分析方法主要有理論推導法和實驗辨識法。其中理論推導法主要用于分析飛機各部件的物理結構應急特征，通過科學的計算，得出一個線性或者是非線性數學模型；而后者則主要是通過實際的是要，采用系統辨識得出相關的數據。我國目前較為常用建模方法主要是理論推導，其特點是簡化約束條件，實現快速建模。

2.2 飛行控制方法

小型無人直升機各種特點使得它的飛行控制系統存在很多的問題，比如飛行控制系統無法適應其強耦合性，飛行控制易受天氣等外界因素干擾等等，這對控制系統的敏感性、靈活性和操控性造成了很大的影響。但即便是如此，小型無人直升機的應用優勢也吸引了很多的人才對其飛行控制系統展開研究設計，例如表1當中所列舉的幾種飛行控制方法及其特點。其中，PID單通道飛行控制系統的研究相對成熟，其特點是易于實現，目前在小型無人直升機飛行控制中的應用也較為廣泛，其缺陷是操控較為繁瑣，而且設備體型較大，攜帶非常不便，其解耦性以及魯棒性等固有的特點也使得該系統限制了飛機螺旋槳的性能。現代技術和領域理論的發展，催生了很多的智能化技術，很多新興的技術被用到了PID控制系統當中，例如模糊技術，這使得傳統的PID單通道控制變得更加的先進且具有優勢。該類型系統主要是建立在穩定性理論的基礎之上，能夠使飛行控制系統更具穩定性，能夠實現對飛機飛行的整體性控制，比較適用于對反饋控制具有嚴格要求的系統結構。

3 結束語

小型無人直升機的飛行控制系統設計與實現應當充分結合飛行控制系統的特性進行，通過對常見的控制難題展開針對性的設計，就可以有效的解決老舊飛行控制系統中存在的問題，提高直升機的飛行控制效果。

參考文獻

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作者單位

黑龍江大學電子工程學院 黑龍江省哈爾濱市150000