無人直升機自轉著陸功能設計

王志敏 王青林 黃賢開

摘要：文章以單旋翼帶尾槳的小型無人機作為對象，研究發動機在空中停車時的安全著陸問題。根據直升機自轉飛行的經驗，將自轉著陸分成3個階段，為無人直升機設計了自轉著陸功能。為了使直升機觸地速度降到最低，多次使用軟化控制指令，并且巧妙地設計軟化因子。實驗表明，設計自轉著陸功能能夠使無人直升機在發動機停車的情況下安全著陸。研究成果對無人直升機的自轉著陸問題有一定的參考意義。

關鍵詞：無人直升機；自轉著陸；飛行控制；半物理仿真

中圖分類號：V249文獻標志碼：A

0 引言

自轉是直升機特有的飛行狀態。當直升機處于自轉狀態下，槳葉的旋轉不再依賴發動機驅動，而是由自下而上的來流形成的空氣動力驅動。通常發生以下情況時，直升機可采用自轉飛行的方式安全著陸：（1）發動機或傳動系統故障，無法為旋翼提供動能；（2）尾槳失效，無法平衡旋翼的反扭矩；（3）進行直升機陡降飛行科目中，避免進入渦環狀態［1-3］。

在有人直升機中，飛行員可以通過長時間的模擬訓練，熟練掌握自轉著陸操作，當發動機在空中停車時，飛行員能夠根據當前飛行狀況，迅速進行相應的操作，使直升機進入自轉下滑狀態，最終實現安全著陸［4］。而對于無人直升機來說，當發動機在飛行過程中突然失效時，如果沒有自轉著陸功能，最直接的影響就是飛機墜毀，同時，還有可能對地面建筑以及地面人員造成傷害［5］。因此，開發無人直升機的自轉著陸功能十分必要。

想要無人直升機具備自轉下滑能力，一方面，直升機本身需要具備良好的自轉性能；另一方面，在飛控計算機上需要開發可靠的自轉著陸功能［6］。本文以單旋翼帶尾槳的小型無人直升機作為研究對象，根據有人直升機自轉著陸的過程和要求，為無人直升機設計自轉著陸功能，并進行仿真驗證。

1 自轉著陸過程

圖1為有人直升機自轉著陸過程，整個過程通常可以分為以下3個階段［7-10］。

（1）建立自轉階段。

這一階段（圖1中的①）開始于發動機停車后，飛行員應當在短時間內進行操作，應迅速將總距降至最低，使旋翼盡可能快地儲存能量，并操縱橫向駕駛桿和腳蹬，防止直升機因發動機動力突然消失后扭轉距不平衡導致的旋轉，同時操縱縱向駕駛桿，使直升機進入自轉下滑狀態。

（2）穩定下滑階段。

在穩定下滑階段（圖1中的②），飛行員應該操縱總距，控制旋翼轉速在一個穩定的區間，同時進行其他操作以保持直升機的姿態穩定。

（3）減速著陸階段。

當直升機下滑至一定高度后，飛行員應向后拉桿使直升機抬頭減速（如圖1中的③）。當直升機接近地面時，飛行員應立即提距，利用旋翼中的剩余能量來減小下降率（如圖1中的④），在飛機接觸地面后，應立即釋放總距，保證著陸安全。

在有人直升機飛行過程中，駕駛艙中飛行員的操作對飛機的飛行起著決定性因素，機上的飛控系統起輔助作用［11］。而在無人直升機的試飛過程中，飛機根據地面測控站發送的指令以及機上各種傳感器的信號自動計算并給予舵機輸出，控制無人直升機自主飛行。一般無人直升機試飛時都配備一個操作手，操作手的功能主要有兩個：一是在大風等惡劣天氣的情況下幫助無人直升機起降；二是飛機不響應指令或指令響應不正常時幫助無人直升機緊急降落。地面操作手的作用十分有限，無法像有人機中的飛行員一樣能直接感受到飛機姿態的變化，難以進行高難度的飛行。因此，當無人直升機在空中飛行時發動機突然失去動力，只能通過預先設計的自轉著陸程序控制無人直升機自轉飛行并安全著陸。

2 無人直升機自轉著陸功能設計

2.1 建立自轉階段

建立自轉階段的控制流程如圖2所示。當無人機在空中因發動機停車等因素需要進行自轉著陸時，應首先退出當前的導航模態和飛行模態，確保自轉著陸能夠正常進行；接著斷開高度通道控制，并且將總距降低至最低；同時，將橫向通道、縱向通道以及航向通道轉為內環控制，在第一時間控制住飛機的姿態。

2.2 穩定下滑階段

穩定下滑階段的控制流程如圖3所示。進入穩定下滑階段后，縱向通道需要接通速度控制。由于直升機以經濟巡航速度飛行時，對旋翼能量的消耗最小［12］，因此，給定的縱向速度指令應為經濟巡航速度。與此同時，開啟旋翼轉速控制，防止旋翼超轉，旋翼轉速控制器可使用傳統的PI控制器，通過調節總距達到控制旋翼轉速的效果，使直升機在下滑過程中保持穩定的旋翼轉速，當直升機下滑至一定高度h1時結束穩定下滑階段，h1可以通過仿真設置一個合理的值，下文中提到的h2同理。

2.3 減速著陸階段

減速著陸階段的控制流程如圖4所示。根據上述描述的自轉著陸過程，在減速著陸階段，需要快速降低縱向速度和垂向速度。樣例無人機使用PID控制器控制縱向速度，如果只是給定速度指令，在短時間內無法將速度降低至目標值，而用增加控制系數方法提高響應速度，又會導致嚴重超調，影響飛行安全。因此，通過改變飛機俯仰的方式降低縱向速度，當縱向速度降低至安全著陸速度時再調整好飛機姿態。調整飛機姿態的過程中給俯仰角指令進行軟化，防止因指令突變引起振蕩。軟化公式如下：

縱向速度減下來后，還應利用旋翼儲存的剩余能量降低垂向速度。理想情況下應該是飛機接觸到地面時，速度正好減到0或者是很小的值。過早地減速會導致直升機在高空中已經消耗掉了旋翼全部的能量，然后加速下落；而減速過晚則會導致直升機在接觸地面時仍有較大的下降速度，這兩種情況均會導致直升機受損。當直升機開始提距降低垂向速度時，我們記錄當前的飛行高度以及垂向速度，將垂向速度指令的軟化因子設置為直升機做勻加速運動降落至地面且速度正好等于0時的加速度，即：

同時，適當增加控制系數，提高控制器的響應速度，使得直升機的垂向速度能夠較快地跟隨速度指令的變化而變化。當直升機接觸到地面時，將總距迅速降低至最低，完成自轉著陸。

3 仿真結果

以飛控計算機為核心搭建半物理仿真環境，對自轉著陸功能進行仿真驗證，結果如圖5所示，因涉及商業秘密，將實驗部分數據隱去。從圖5中可以知道，直升機大概在109.7 s處發動機空中停車，隨后旋翼開始掉轉速。在111.2 s處，飛控系統認為發動機不再提供動力，開始執行自轉著陸程序，在第一時間內將總距降至最低。111.2 s到114.5 s為建立自轉階段，此時直升機在調整姿態。從114.5 s開始，直升機進行穩定的自轉下滑，此時旋翼轉速開始增加。在120.7 s時，為防止旋翼超轉，直升機開始提總距，同時垂向速度伴隨著總距的增加明顯減少。在125.5 s時結束穩定下滑階段，直升機開始抬頭，隨后縱向地開始減速。在129.2 s時，直升機開始恢復姿態并提距降低垂向速度。大概在131.2 s時，直升機接觸地面并將總距降至最低，完成自轉著陸程序。由仿真結果可以看出，當直升機接觸地面時，縱向速度為3.78m/s，垂向速度幾乎為0。因此，本文設計的功能可以使無人直升機安全自轉著陸。

4 結語

無人直升機在空中發動機停車時是非常危險的，不僅直升機會墜毀，還會對地面人員造成嚴重的安全隱患。本文介紹了有人直升機的自轉著陸過程，參照飛行員的操作，將整個自轉著陸分成3個階段，為無人直升機設計自轉著陸功能。在每個階段，根據以往無人直升機的飛行進行了分析，設計合理、可靠的控制策略。最后搭建半物理仿真環境，驗證了該功能的有效性。實驗證明，直升機在關閉發動機后在空中保持自轉飛行，降落時的觸地速度也非常小，能夠安全、平穩地著陸。

參考文獻

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（編輯 傅金睿）