無人機飛行操縱品質評價準則之探討

劉成肖

摘要：近年來，無人機技術迅速發展，相比之下，無人機飛行品質的研究卻相對滯后。尤其是對無人機操縱品質的評估，目前為止并沒有較為成熟的準則。本文試圖從縱向、橫向兩個角度分析有人飛機飛行品質評估準則對于無人機飛行操縱品質評估的適用性，對無人機飛行操縱品質的評價準則進行探討，并加以分析，以期對無人機飛行操縱品質評估提供借鑒。

關鍵詞：無人機;操縱品質;評定準則;適用性

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）19-0247-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

在無人機迅速發展的背景下，其構型、飛控、算法等技術逐漸成熟，但與無人機的“硬要求”飛速發展形成鮮明對比的是無人機飛行質量的研究工作滯后。有觀點認為由于目前無人機偏向于其實用性與操作性，且無人機主要是依靠飛控系統自主或者自動執行任務，飛行員僅扮演監控角色（必要時干預），并未直接參與飛機的控制，因此不存在飛行品質的問題。但是無人機作為一種特殊的飛行器，仍具備了飛行器的基本特征，飛行安全、完成任務質量的評估等問題均屬于飛行品質研究的范疇。

無人機飛行品質規范是設計飛機，包括飛行控制系統的依據和基礎之一。[1]良好的飛行品質規范能夠使無人機的設計和制造事半功倍。然而，與無人機技術發展的熱潮相比，其飛行品質方面研究相對較少。本文從發展相對成熟的有人飛機飛行品質評估準則作為出發點，就其是否適合在無人機上應用開展了些許探討和分析。

1 無人機飛行操縱品質

飛行品質是衡量飛機完成特定飛行任務的精確度及駕駛員工作負荷的尺度，對于無人機而言，一種是自主式作業，另一種是遙控式作業。就這兩種形式的無人機而言，研究“駕駛員工作負荷尺度”意義不大，但是飛行任務的精確性對于無人機而言卻有著重大意義，對于遙控式無人機，在人為操縱的狀態下進行作業，就其操縱品質是否符合任務要求，需要一定的評價準則和標準進行評估，這也充分說明了研究無人機飛行品質中操縱品質的重要性。

從主觀評估角度而言，有人機使用的評價尺度是Cooper和Harper制定的C-H評價尺度[10]，并劃分為10個等級，但其都是圍繞駕駛員來進行評定的，根據無人機的特點修改，可適用于無人機，具體如表1所示。

無人機即利用飛控系統實現自主飛行，即通過飛行控制裝置控制無人機按設定好的航跡飛行，并保證姿態的穩定，其通過傳感器、陀螺儀等感受無人機機的航跡、姿態等信息，駕駛員（操縱員）不直接參與飛機的操縱; 而有人機則是通過駕駛員來控制。駕駛員安全舒適地駕駛飛機，且能在整個飛行包線內較好的完成飛行任務時所呈現的特性，稱為飛機的飛行品質[2]，這就導致了其構成的人——機閉環系統的重心是駕駛員，故而有人機的飛行品質評定準則不能照搬到無人機上進行應用。下面從縱向和橫向兩個方面，通過對有人機飛行品質評估準則的分析，探討在無人機上應用的可行性。

2 飛行操縱品質的評價原理與方法

2.1 飛行操縱品質原理

無人機的誕生可追溯到20世紀初，初衷是軍用，但在21世紀得到了迅速發展與推廣，尤其近年來在我國，無人機早已“飛入尋常百姓家”，在其迅速發展的背后，監管、規范的缺失與不足日益顯現，為確保飛機能安全、高效的飛行，故而在飛機的操縱系統、試飛過程中必須遵循相關權威部門頒發的規定性文件，這就是飛機飛行品質規范。就有人機而言，通過大量的飛行經驗總結，制定出一套對飛機飛行品質評估的準則和要求，并以此來衡量大多數飛機的飛行品質，具有普遍性和共性[3]。在航空發達的國家（如英、美等）都投入了大量的人力、物力、財力進行飛行品質的研究，最具成效的當屬美國，其先后頒布了 AAF- C-1815、 USAF-1815- B、 MIL- STD-1797等規范飛機的飛行品質規范， 鑒此為世界各國參考、引用。

滿意的 極好，很理想 在存在一定程度干擾或者天氣情況不十分理想時，系統均能得到期望的性能 1級 優，好用 存在一定程度干擾，系統可以得到期望性能 2級 良，但抗干擾能力較弱 存在一定程度擾動時，系統勉強能得到期望的性能 3級 不滿意的 有些不好 無擾動、外界調節良好時，系統可以得到期望性能， 4級 比較不好 無擾動、外界條件良好時，系統也能得到適度的性能 5級 非常不好，但可以容忍 無擾動時，系統勉強可以得到適度的性能 6級 不可接受的 勉勉強強執行任務 存在一定程度擾動時，勉強可執行任務 7級 無人機不可操縱 有嚴重缺陷 無法完成飛行任務 8級 ]

2.2 低階等效方法

所謂低階等效系統[4]是指，高階增穩系統的低階等效系統在相同的初始條件下且外界刺激一樣，在相當頻域內或時間段內，在對應指標下輸出量的差值最小，則稱此低階系統是高階系統的低階等效系統[5]。MIL- STD-1797中規定，在進行等效擬配時，要求對俯仰角速率和法向過載同時開展擬配，將駕駛員對桿的操作情況作為輸入量。

低階等效系統的失配邊界是駕駛員對不能察覺到的最大額外動態響應的異差反應，若將其方法應用到無人機系統中，失配邊界則需要根據無人機的系統轉角頻率、指令響應等特性進行重新定義，此時，有人機該系統的低階等效傳遞函數[10]也不再適用，此方法也就失去了意義，故此方法不建議運用到無人機飛行品質的評估。

3 無人機飛行品質的評定準則初探

3.1 縱向飛行品質

3.1.1 CAP準則

CAP（Control Anticipation parameter ）——操縱期望參數定義為：

[CAP=?δzt=0（Δny/δz）t=∞=?0Δnyss（1s2g）=MFS·FNyZ? ? ? ? ? ? ? ? （1）]

即飛機初始的俯仰角加速度與穩態過載之間的比值，操縱期望參數CAP等于單位桿力所產生的初始俯仰角加速度[MFS]（即桿力靈敏度）與穩態機動飛行時，產生單位過載所需桿力[FNYZ]（即單位過載桿力）之積[6]。由此可見，操縱期望參數與駕駛員操縱感覺有著密切聯系。

由于飛行員在空中對俯仰加速度十分敏感 ，當飛行員感受到飛機過載變化時，通過控制飛行軌跡進行調整，這就要求飛機過載與俯仰姿態加速度之間的動態必須在人體感受能力之內。

由于CAP準則要求飛行員在空中對飛機運動的感知，且與桿力靈敏度[MFS]、單位過載所需桿力[FNYZ]密切相關，而無人機系統并不存在這兩者，而是依靠傳感器、陀螺儀等進行姿態感知，若要將該準則運用到無人機系統，本文建議在無人機系統設計階段就將CAP準則考慮在內，優化傳感器及飛控程序，進而可按照CAP準則來評定其飛行品質。

3.1.2 帶寬準則

帶寬準則是由規定的開環系統帶寬及時間延遲[τp]的相互關系定義的[6]。它是俯仰姿態對駕駛員操縱力（對應力操縱系統）或操縱位移（對應位移操縱系統）的開環頻響中，相位裕度等于大于45°或增益裕度等于大于6dB所對應頻率中的較小者[7]。時間延遲[τp]由下式定義：

[τp=-（φ2ω180+180?）/（57.3×2ω180）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）]

式中，[ω180]是相位等于-180°時的頻率;[φ2ω180]時2倍[ω180]頻率處的相角。

依據上述定義，首先從相頻特性曲圖（圖2）線上確定等于-180的頻率[ω180]，然后找到相位裕度為45°，即相角等于-135時的時的頻率[ω135]，該頻率即定義為相頻頻寬[ωBP]，然后找到[ω180]所對應的幅值，在此基礎上增加6dB，從而求得幅值寬[ωBw]，帶寬即為[ωBP]與[ωBw]中較小者。其次，從圖中求得[2ω180]時的相角[φ2ω180]，并利用[τp]的計算公式求得延遲時間[τp]，依據求得的帶寬及[τp]即可判斷系統的飛行品質等級，如圖3所示。

采用這種標準的好處是，它的適應能力比較強，它可以直接用于具有非常規模飛機的飛行品質評定，由于此準則不是基于人-機的閉環系統，且適用性較好，故而帶寬準則可以適用于無人機飛行品質評定。但也并非可以照搬，還需尋找無人機-傳感器系統的邊界，也就是最大帶寬，以保證無人機系統可以在此范圍內準確、安全地作業。

3.2 橫向飛行品質

無人機的橫向運動也存在一定穩定性和操縱性問題，是對無人機繞縱向對稱平面內兩個正交軸的轉動[7]，以及沿縱向對稱平面垂直軸移動的研究。由于相應的氣動力及氣動力距變化復雜，所以對無人機橫向飛行品質準則的探討較縱向而言相對復雜些。

在STD-F-1797規范中，飛行品質分為滾轉軸的飛行品質和航向軸的飛行品質[8]，下面以STD-F-1797中的評價準則為例，探討其在無人機上的適用性。

3.2.1 滾轉軸的飛行品質評價準則

對滾轉軸飛行品質的要求包含多個方面，其中最重要的動態特性要求是滾轉操縱時的滾轉響應，由滾轉模態時間常數[TR]、螺旋模態的穩定性、滾轉-螺旋耦合震蕩、其他要求等決定。

等效滾轉模態時間常數[TR]是用來描述飛機的滾轉阻尼特性，數據表明，駕駛員的評分是滾轉阻尼函數，滾轉阻尼就可用一階滾轉模態時間常數[TR]來表示[9]。所以，根據飛機類型、不同飛行階段給出了滾轉時間常數最大建議值，而后根據駕駛員評分與[TR]之間的關系進行評價。螺旋模態是在滾轉受外界干擾時，飛機產生的航向的變化及緩慢的滾轉，利用螺旋模態的時間常數[TS]及等效系統來評定。

3.2.2 航向軸的飛行品質評價準則

航向方面的飛行品質要求，主要有航向動態相應、航向軸對滾轉操作的相應等。飛機對航向輸入所產生的滾轉震蕩響應特性與航向，主要用荷蘭滾模態的阻尼比[ξd]及自然頻率[ωd]以及[ξd·ωd]的乘積來表示。在進行滾轉操作時需要留有足夠的航向裕度來進行所需的進入、退出協調轉彎。起碼對于飛行操縱員來說是可操作的，換言之，即在飛機進行滾轉操縱時，以側滑角作為參考其數值即為可操縱裕度的度量， 或者直接規定協調轉彎時腳蹬的需求量。

綜上兩個軸的飛行品質都與飛行員的主觀評定、橫桿和腳蹬輸入量密切相關，且評價參數也不適用無人機，由于無人機的橫向狀態量包含滾轉速率、偏航速率、側滑角、滾轉角，利用這些狀態量建立無人機橫向動力學特征方程，故而飛機橫向飛行品質評價準則可在無人機上運用的方面較少，而無人機橫向具體評價準則還需進一步研究和探討。

4 結束語

隨著無人機產業的興起，無人機的發展日益迅速，在其迅速發展的背景下，對無人機飛行品質的研究相對落后，至今仍沒有一套完整的針對無人機的飛行品質評估準則，因此對無人機飛行品質的研究愈發重要。本文依據飛機飛行品質評估準則，探討其在無人機上運用的實用性與可行性并給出使用建議，對無人機飛行品質評估準則的研究有一定參考意義。

參考文獻：

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[10]潘文俊，樊戰旗，王敏文，孫遜.無人機飛行品質評定準則探討[J].飛行力學，2016，34（01）：6-9.

【通聯編輯：梁書】