無人直升機自動區域導航設計及工程應用

李逸群

概述

直升機是人類歷史上研究最成功的仿生機械之一，具有垂直起降、懸停、側飛及對場地要求不高等優點，隨著對現代直升機飛行品質和任務效能要求的日臻提高，無人直升機飛行控制技術也越來越得到重視。區域導航是指允許在確立的點之間的任何直接航路上進行電子的航向引導。區域導航設備通過自動確定直升機位置、建立期望的飛行航跡以及向下一航路點飛行提供航跡引導來運作的導航方式，有著傳統導航沒有的很多優點。

自動區域導航是無人直升機自動導航功能實現中的一環。當無人直升機受到外界干擾偏離航線情況下，結合航向引導信號實現自動區域導航飛行，重新返回航線。該功能綜合慣性導航系統實時解算的側偏距、偏航角與地速數據生成航向導引信號，通過控制律設計實現直升機對現有航線的跟蹤飛行。自動區域導航具有航線編排靈活的特點，通常在高空大速度沿航向穩定飛行時使用該功能。

無人直升機若在平飛過程中受到外界擾動等因素的影響將產生相對于飛行航線的側向偏離，觸發自動區域導航，此時飛控系統一般通過橫向駕駛信號對直升機的航向自動修正以減小偏差，保證直升機沿著現有航線飛行。該功能主要通過橫滾軸和航向軸的控制實現。在設計自動區域導航時，充分考慮自動區域導航使用的背景，實現盡快切入航線，以最短時間完成飛行計劃，因此在最近航段判斷、航路點信息發送等內容與航電系統復雜交聯。本文完整描述自動區域導航的設計實現方式。

自動區域導航設計

自動區域導航功能是通過導航系統和飛控系統共同實現的。設計自動區域導航時，要充分考慮自動區域導航使用的背景。要盡快切入航段，以最短時間完成飛行計劃的航行，因此選取最近航段是設計的關鍵。自動區域導航通過協同控制，實現對橫向駕駛信號實現穩定精確的跟蹤。

最近航段判斷邏輯

激活一條飛行航線，若航路點有25個點，則有24個航段。在無人直升機受到外界干擾偏離當前航線時，飛控機根據當前位置來判斷目前直升機離當前激活飛行計劃中的哪個航段最近。在具體設計中通過比較偏航距判斷最近航段，同時只對偏航距在航段之內或在航段的順向延長線位置的航段進行偏航距的比較。下面給出這兩種最近航段判斷方法。

（1）判斷偏航距在航段之內

控制律設計原則

自動區域導航可引導無人直升機進行現有航線的跟蹤飛行，該功能主要通過橫滾軸和航向軸的控制實現[5]。俯仰通道并非該功能實現的決定性因素，因此在接通自動區域導航后，俯仰通道控制律設計為俯仰保持功能，保持接通瞬間俯仰姿態、速度等飛行狀態。在傾斜通道設計中，將計算得到的橫向駕駛信號作為傾斜通道的參考指令，通過控制律設計實現對橫向駕駛信號的跟隨。偏航通道設計依照協調轉彎邏輯，保證滾轉與偏航運動耦合影響最小，使得飛行側滑加速度為零。由側向加速度和滾轉角信息計算得到偏航角給定值作為偏航通道的參考指令，再通過控制律實現對參考指令的跟蹤。

自動區域導航接通流程

第一步：通過顯示系統裝訂飛行計劃（包括航路點和航段信息），并激活飛行計劃；

第二步：當無人直升機偏離飛行計劃航線時，飛控機根據直升機當前的即時位置來判斷目前直升機距離最近的航段，發出離最近航段的從點、到點及下一點給組合導航系統，該航段將作為自動區域導航跟蹤的目標航段；

第三步：組合導航系統根據接收到的從點、到點計算出偏航距和偏航角（直升機當前航向與當前航段的夾角，偏航角范圍為0°～360°）和橫向駕駛信號；

第四步：飛控機接受偏航距和偏航角和橫向駕駛信號；

第五步：橫向駕駛有效信號輸出——組合導航系統根據偏航距和偏航角判斷橫向駕駛信號有效性，當滿足偏航距在一定距離內，且當前航向和預定航向的夾角小于90°的條件時，認為橫向駕駛信號有效，組合導航系統將輸出至飛控機的橫向駕駛信號指示有效；

第六步：在橫向駕駛信號指示有效情況下，飛控自動區域導航觸發，直升機進入自動區域導航狀態；

第七步：若橫向駕駛信號無效，飛控自動區域導航處于待觸發狀態，顯示器頁面提示接通條件不具備，自動區域導航處在預備位；

第八步：此時無人直升機朝現有航路點信息指引航段飛行，當偏航距達到一定距離內，且當前航向和預定航向的夾角小于90°時，將橫向駕駛有效信號置為有效并發送給飛控機；

第九步：飛控自動區域導航觸發，直升機進入自動區域導航狀態；

第十步：進入自動區域導航狀態后，通過控制律解算跟蹤目標航段，實現自動沿航線飛行。

總結與展望

自動區域導航充分發揮直升機的橫側向的機動能力，可以減少外界干擾對飛行計劃的影響，實現無需操作員干預的條件下自動駕駛無人直升機快速跟蹤航線的目標，大大減小了操作員的負擔。本文對自動區域導航功能的實現從航電系統設計、飛行控制律設計、實際使用中的接通流程幾方面進行闡述，但在實際功能使用中仍然存在航段切入慢，航向擺動、控制精度低，航線非最優等問題。相信隨著故障問題的解決和研究的深入，自動區域導航能夠不斷完善，成為無人直升機控制中一種安全可靠的自動飛行模態。