漫談現代無人機及其飛控系統技術

曹振操 喻彪 張家瑞

無人機系統以其機動靈活、持久飛行和“零傷亡”等特點幾乎滲透到戰場空間的各個領域。近期幾次局部戰爭中無人機的突出表現，更加引起了各國軍方，尤其是軍事強國的高度重視，已成為信息武器裝備體系的關鍵節點和重要組成部分，在信息支援、信息對抗和火力打擊等領域發揮著不可替代的作用。

與有人駕駛飛機相比，無人機的優勢主要體現在以下五個方面：

一是可長時間執行空中任務；

二是可替代有人駕駛飛機進入核/生/化等污染環境執行任務；

三是不存在飛行員傷亡，政治和軍事風險較小；

四是由于不考慮人的因素，可承受更大的載荷，飛機的隱身和機動性上可實現質的飛躍；

五是全壽命費用低、作戰效費比高。與衛星相比，無人機系統具有時效性、針對性和靈活性強等優勢。

一、無人機發展的主要關鍵技術

未來無人機向更高、更快、更遠、更機動、更高效的方向發展，需要的主要關鍵技術有：

1、平臺技術（綜合布局、氣動、輕質結構、隱身）；

2、大尺寸復合材料設計（規范）、加工工藝（成本）；

3、結構復合材料，抗紫外線材料，輕質材料，耐高溫材料等；

4、微型加工裝配技術、智能材料的應用（無舵面柔性機翼，微型、仿生無人機）；

5、先進的發射回收技術；

6、武器和設備的小型化及集成化；

7、隱身技術；

8、動力技術；

9、通信技術；

10、智能控制技術；

11、空域管理技術；

二、無人機飛行控制系統相關技術

飛行控制與管理系統是無人機的關鍵系統之一。飛行控制系統是無人機完成起飛（發射）、空中飛行、執行任務、返場著陸（回收）等整個飛行過程的核心系統，對無人機實現全權限控制與管理，因此對無人機的功能和性能起關鍵、決定性作用。如果沒有飛行控制系統，現代無人機就不可能上天飛行，完成各種任務。

無人機飛行控制系統一般包含傳感器、機載計算機和伺服作動設備三大部分。

無人機控制模式

無人機的飛行控制系統是全時限、全權限的，飛行控制模式可以分為程序控制（時間程序控制）、遙控（通過地面站遙控指令控制）和自主飛行控制（二維、三維或四維）三種。

前二種飛行控制方式常用作靶機、觀測等類型無人機的飛行控制，第三種常用于偵察機、攻擊機等類型無人機的飛行控制。

在遙控方式下，地面操作手根據無人機的狀態信息和任務要求控制無人機的飛行；

在自主控制方式下，飛行控制系統根據傳感器獲取的飛機狀態信息和任務規劃信息自動控制無人機的飛行。

在半自主控制方式下，飛行控制系統一方面根據傳感器獲取的飛機狀態信息和任務規劃信息自主控制無人機的飛行，另一方面，接收地面控制站的遙控指令，改變飛行狀態。

1、機載傳感器

無人機飛控系統常用的傳感器包括角速率傳感器、姿態傳感器、航向傳感器、高度空速傳感器、飛機位置傳感器、迎角傳感器、過載傳感器等。傳感器的選擇應根據實際系統的控制需要，在控制律初步設計與仿真的基礎上進行。

（1）角速率傳感器

角速率傳感器是飛控系統的基本傳感器之一，用于感受無人機繞機體軸的轉動角速率，以構成角速率反饋，改善系統的阻尼特性、提高穩定性。

（2）姿態、航向傳感器

姿態傳感器用于感受無人機的俯仰和滾轉角度，航向傳感器用于感受無人機的航向角。姿態、航向傳感器是無人機飛行控制系統的重要組成部分，用于實現姿態航向穩定與控制功能。

（3）高度、空速傳感器（或大氣數據計算機）

高度、空速傳感器（或大氣數據計算機）用于感受無人機的飛行高度和空速，是高度保持和空速保持的必備傳感器。一般和空速管、通氣管路構成大氣數據系統。

（4）飛機位置傳感器

飛機位置傳感器用于感受飛機的位置，是飛行軌跡控制的必要前提。慣性導航設備、GPS衛星導航接收機是典型的位置傳感器。

2、伺服機構

伺服作動設備也稱舵機，是飛控系統的執行部件。其作用在于接收飛行控制指令，進行功率放大，并驅動舵面或發動機節風門偏轉，從而達到控制無人機姿態和軌跡的目的。

伺服作動設備可分為電動伺服作動設備、液壓伺服作動設備和電液混合伺服作動設備。無人機上通常使用電動伺服作動設備。

3、飛行控制律

飛行控制律是飛行控制系統一個重要組成部分，它是指令及各種外部信息到飛機各執行機構的一種映射關系。飛行控制律的設計就是確定這種映射關系，使飛機在整個飛行包線內具有符合系統要求的飛行品質。飛行控制律設計的依據是系統研制任務合同及相關頂層技術文件。根據這些文件具體形成在具有控制系統下飛機的各種品質或性能，在對無控飛機的特性進行分析的基礎上，為達到所要求的飛行品質或性能，確定初步的控制律結構，然后應用自動控制的設計方法具體確定控制律參數。通過非線性全量仿真、半物理仿真及飛行試驗，驗證或調整控制律結構及參數，使飛行品質或性能達到要求。控制律設計過程是一個迭代回歸的過程。