共軸直升機操縱技術與微小型化發(fā)展

李科偉，趙 娜，鄧宏彬，江 明

（1. 北京理工大學機電學院機電動態(tài)控制重點實驗室，北京 100081；2. 淮海工業(yè)集團有限公司淮海研究院，長治 046012）

1 引 言

微小型飛行器（Micro/Mini Air Vechile，MAV）的概念產生于20世紀90年代［1］。人們發(fā)現(xiàn)當設計尺寸不斷變小時，小型飛行器的設計方法與氣動特性都迥異于常規(guī)尺寸的無人飛行器。如同諸多高新技術的發(fā)展起先都是出于一個國家軍事戰(zhàn)略的需求，微小型飛行器亦不例外。美國國防預先研究計劃局（DARPA）最初考慮發(fā)展此項技術正是源于軍事目的，以期美國能在未來軍事行動中具備領先的技術，而之后包括海灣戰(zhàn)爭及科索沃戰(zhàn)爭在內的軍事行動再次展現(xiàn)了無人飛行器在現(xiàn)代軍事戰(zhàn)爭中的威力，這使得DARPA更加重視包括微小型飛行器在內的軍事科技研究。

按照DARPA提出的概念，微小型飛行器應具備以下基本特征：具有自主飛行的能力、特定距離下的通訊能力以及能夠帶載完成特定任務。相比于常規(guī)尺寸的無人飛行器，微小型飛行器以其體積小、質量輕、隱蔽性好（低噪聲、低雷達散射截面積）、功能性強、成本低、操作便捷等顯著優(yōu)勢贏得了軍民領域中廣大研究人員的重視。

共軸直升機是一類上下雙槳排列的旋翼型飛行器，與固定翼、撲翼飛行器不同，具有垂直起降、定點懸停及狹隘空間避障飛行等特點［2］。這種飛行能力使其無需起降跑道，能夠適應如極地、高原、山區(qū)、城市建筑群、遠洋孤島及封閉腔體等復雜地形環(huán)境的搜救、救援及監(jiān)視等多種民用及軍用任務［3］。其自身結構緊湊，縱向尺寸小，整個飛機的重量可以相對集中在飛機重心附近，從而減小了飛行狀態(tài)轉換過程中的慣性矩，具有較高的可控性與機動性［4］。同時由于其雙槳反轉可以平衡相互產生的扭矩使其不再需要尾槳，降低了飛行器結構的復雜性，同時也避免了源于尾槳的故障隱患，能將所有功率都用于飛行器的主旋翼系統(tǒng)，從而提高了飛行效率。上下轉子產生的氣流相互干擾產生的增強作用使其懸停效率高于單旋翼的直升機。它易于實現(xiàn)微型飛機的設計目標，更適合于軍事和民用領域。

此外，隨著人們對現(xiàn)代戰(zhàn)爭長時間作戰(zhàn)疲勞以及對戰(zhàn)士傷亡的恐懼，加之有人駕駛飛機技術成熟及微電子技術、計算機技術、MEMS導航技術及控制技術的逐漸成熟及低成本發(fā)展，微小型共軸直升機漸漸成為飛行器發(fā)展的熱點方向。飛行器的飛行控制與微小型化是飛行器研究的兩個主要領域，因此，本文將就共軸直升機的操縱機構與微小型化發(fā)展兩個方面展開討論。

2 操縱機構的發(fā)展及現(xiàn)狀

說起雙旋翼，當從我國的古玩具“竹蜻蜓”開始。竹蜻蜓是我們祖先非常有意思的一個發(fā)明，它又稱為“飛螺旋”。竹蜻蜓主要包含旋翼和中軸桿兩個部分，搓動中軸桿時，旋翼可以沿著中軸桿的方向旋轉，繼而產生升力實現(xiàn)飛行。《簡明大英百科全書》第九卷記載：“直升機是人類最早的飛行理念之一，多年來人們一直相信最早提出這個理念的就是達·芬奇，但現(xiàn)在眾所周知，中國制造的直升機玩具比歐洲中世紀制造的要早?！币虼耍梢哉f人類的航天夢是被中國人發(fā)明的“竹蜻蜓”（Bamboo-Copter）玩具所點燃［5］。

在接下來的一千五百多年里，共軸直升機推陳出新。1754年，俄羅斯科學家羅蒙諾索夫（Lomonosov M V）設計了首款依靠機械動力飛行的共軸飛行器［6］（圖1），將微型共軸反轉雙槳與機械表相結合，通過機械表發(fā)條及齒輪機構驅動旋轉槳旋轉來實現(xiàn)飛行，邁出了人類飛天夢的一大步。1861年，法國科學家阿梅庫爾（Ponton d'Amecourt）發(fā)明的直升機（圖2），采用了微型蒸汽機驅動，提供了連續(xù)的動力驅動飛行。同年，亨利布萊特（Henry Bright）向英國專利局提出了第一個直升機專利申請，該直升機專利采用共軸雙槳直升機結構（圖3），傳動裝置采用三個錐齒輪連續(xù)傳動驅動槳葉轉動。亨利布萊特直升機中對齒輪連續(xù)傳動的引入為槳葉轉動奠定了結構基礎，成為現(xiàn)代直升機發(fā)展的先驅。隨著動力問題的解決，中國、蘇聯(lián)及美國相繼在共軸雙槳直升機方面取得了突破性的進展，1945年，從麻省理工大學留學歸來的朱佳仁制造了中國第一款真正意義上的直升機——蜂鳥甲型共軸直升機［7］（圖4）。至此形成了現(xiàn)代直升機操縱機構的雛形。操縱機構是飛行器控制的重要組成，飛行器的控制量通過操縱機構轉化為旋翼俯仰角的變化，產生偏航與俯仰方向的偏轉力，使直升機具有良好的機動性。

到目前為止發(fā)展了兩種旋翼控制方法。一種是直接式控制，即槳轂軸作為操縱軸，當改變操縱軸的方向和角度時，旋翼槳平面會跟著操縱軸的方向和角度同步傾斜。另一種是自動傾斜器，它將槳轂固定在結構旋轉軸上，但自動傾斜器可以使葉片的俯仰角周期性變化，從而使氣動矢量在一定范圍內發(fā)生變化，也稱為間接控制。直接式控制由于需要的驅動力大，適用于特別小的飛行器，所以常見的大部分飛行器通常采用自動傾斜器的變距裝置。

1997—2001年，Ranjbaran F等［7］對CL-327共軸直升機操縱機構的自動傾斜器機構進行了描述及運動學與動力學分析。CL-327的傾斜盤（圖4）位于上下電機之間，通過球鉸與飛行器主軸相連，這使得傾斜盤既能沿平行于主軸方向滑動，也能在自身傾斜盤的平面上轉動，借助設在旋轉盤下方的三個線性驅動器來控制傾斜盤的三個自由度。傾斜盤與上下旋翼通過兩個拉桿連接，旋翼就會根據傾斜盤的狀態(tài)來進行調整。

呂俊剛等［8］論述了一種基于慣性力作用和彈性材料的操縱機構（圖5），利用電機突然加速轉動產生慣性力，使采用彈性材料的連桿變形，隨之改變旋翼的漿距角，采用電傳感器和位置控制碼板檢測轉子的位置，以驅動電機控制和改變機體的飛行狀態(tài)。

圖1 羅蒙諾索夫直升機Fig.1 Lomonosov helicopter

圖2 阿梅庫爾直升機Fig.2 Amecourt helicopter

圖3 亨利布萊特直升機Fig.3 Henry Bright helicopter

圖 4 CL-327共軸直升機 的操縱機構Fig.4 Control mechanism of CL-327 coaxial helicopter

圖5 基于慣性力作用和彈性材料的 操縱機構Fig.5 Manipulator based on inerti al force and elastic material

馮亞昌等［9］設計了一種半差動式控制機構，并介紹了控制原理，分析了同軸直升機控制機構的縱向通道動態(tài)特性。該飛行器采用了一種半差動航向操縱機構。通過總距套筒連接上下傾斜器的內軸來改變槳葉總距；通過航向操縱滑環(huán)連接上下槳盤的自動傾斜器外盤，來改變飛行器的航向控制。系統(tǒng)輸入受四個舵機控制，其原理圖如圖6所示。

李杏健等［10］發(fā)表了名為“一種共軸式雙旋翼直升機”的專利（圖7），上旋翼與下旋翼之間的槳距分別通過位于上、下旋翼之間的上旋翼自動傾斜器與位于下旋翼下部的下旋翼自動傾斜器控制，槳葉與自動傾斜器通過拉桿直接相連。

袁夏明等［11］設計了一種全差動航向操縱系統(tǒng)（圖8），四個電機圍繞轉軸均勻周向陣列在同一平面，其中三個電機通過長拉桿與下傾斜盤連接，實現(xiàn)槳距角變化；另一個舵機通過短拉桿與滑套相連實現(xiàn)總距變化。四個電機的轉動角通過連桿傳動，進而改變下旋翼變距角。通過上下傾斜盤的連桿連接，實現(xiàn)上下傾斜盤的同步變化。

圖6 半差動航向操縱機構原理圖F ig.6 Half differential steering mechanism principle diagram

圖7 共軸直升機操縱機構Fig.7 Coaxial helicopter control mechanism

圖8 全差動航向操縱系統(tǒng)原理圖Fig.8 Fully differential steering system principle diagram

隨著共軸直升機的逐步發(fā)展，飛行器的結構不斷優(yōu)化，飛控機構的設計也從單一的操縱桿到復雜的多輸入機構演變，同時結合相應的控制算法，使其操控的精準性大幅提升，逐步變得智能化。

3 微小型化發(fā)展及現(xiàn)狀

目前大中型的共軸直升機主要以俄羅斯和美國產品為代表，大部分用于軍事用途，如俄羅斯的卡-28、卡-50/52，美國的XH-59、X2等型號。機電一體化技術的快速發(fā)展，使得控制機構、能源和驅動裝置都呈一定程度的小型化，各國都在競相研究微小型共軸直升機。由于機體小，操控靈活，其控制穩(wěn)定性是特別需要考慮的問題。近十幾年來，美、日、瑞、法等國相繼將阿瑟·M·揚經典的平衡錘穩(wěn)定技術［12-13］應用于微型共軸飛行器姿態(tài)控制中，并取得了良好的效果；而近幾年的新成果采用優(yōu)異的控制算法，不再依賴于平衡錘穩(wěn)定，從而降低了機體的復雜度。

2005年，馬里蘭大學（University of Maryland）阿爾弗雷德·格索機器人中心，推出了一款Flexible Wing MAV共軸反轉雙槳直升機［14］，如圖9所示。Flexible MAV具有上下兩組分別獨立的動力驅動及飛行平衡錘，通過四根由形狀記憶合金制成的柔性骨架主動控制上下兩組動力漿及平衡錘，實現(xiàn)姿態(tài)控制。此外，F(xiàn)lexible MAV通過機體底部電子部件及動力電池自身重量的較低質心位置確保飛行器穩(wěn)定。

2006年，千葉大學（Chiba University）、宇都宮大學（Utsunomiya University）及愛普生公司 （Epson）聯(lián)合開發(fā)用于地震搜救的FR微小型自主無人直升機［15］，如圖10所示。其槳葉直徑136mm，高約85mm，含電池質量僅為12.3g，飛行時間為3min。FR通過超薄型超聲波馬達驅動雙螺旋槳飛行，并且通過電機控制重心偏移塊的方式，使重心偏移達到航向控制的目的。

2008年，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院（Swiss Federal Institute of Technology）開始研制MuFly微小型飛行器［3］，其目標是開發(fā)一款完全自主的，在質量和尺寸上與小鳥相當的微小型無人機，如圖11所示。MuFly高200mm，螺旋槳直徑150mm，質量80.31g，能夠進行室內自主飛行及自主避障。

2010年，法國南希自動化控制研究中心（Research Center for Automatic Control of Nancy）和圣路易法德研究院（French-German Research Institute of Saint-Louis）聯(lián)合進行適用于80mm單兵迫擊炮發(fā)射的GLMAV微小型無人直升機研究［16］，以用于城市反恐及城市作戰(zhàn)的戰(zhàn)場信息實時監(jiān)控，如圖12所示。GLMAV螺旋槳直徑250mm，機體直徑80mm，總質量1.1kg，能夠實現(xiàn)室外全自主飛行。

同年，美國陸軍研究中心氣動飛行局（Aero flight dynamics Directorate （AMRDEC） U.S. Army Research）與小型飛行器公司（Lite Machines Corporation）聯(lián)合進行Tiger Moth［17］微小型無人機的控制系統(tǒng)開發(fā)及飛行測試，如圖13所示。室外飛行試驗表明，Tiger Moth微小型無人機能夠在3級微風環(huán)境中實現(xiàn)姿態(tài)穩(wěn)定飛行。

2015年，美國Ascent Aero Systems公司開發(fā)出一款只有保溫瓶大小的航拍機Sprite （如圖14所示）。Sprite采用共軸雙槳設計，使用時旋翼打開，不使用時旋翼可折疊，外觀很像是竹蜻蜓，而且可以輕松放入背包。Sprite是一個便攜的航拍器，它在操控的靈活性方面相比于其他共軸直升機有很大的突破，例如，它可以設定巡航路線，并自動開啟巡航模式，如有需要可立即在某地點進行停留。

在2016年歐洲防務展上，Rafael公司發(fā)布了FIREFLY（螢火蟲）巡航彈（如圖15所示），適用于500m城市地形和1km開闊地形的典型射程，為處于最低戰(zhàn)術梯隊的步兵提供安全和有目的漫游偵察，用于獲取實時作戰(zhàn)環(huán)境中的視距內和超視距戰(zhàn)術情報。該系統(tǒng)由機身、可見光/紅外傳感器和具有雙向數據鏈路的集成制導系統(tǒng)組成，質量不足3kg，裝在一個密封的輕質容器中。該系統(tǒng)既可以裝在一個小背包里，也可以分發(fā)給連/排級別的單個士兵。螢火蟲可以在空中游蕩30min左右，也可以在不同的位置降落，續(xù)航時間可以延長到幾個小時。

2018年，美國NASA發(fā)表了火星用直升機探測器［18］，翼展達到1.21m，質量約1.7kg（如圖16所示）。采用共軸雙槳設計，對火星進行空中探測，可以提供超越軌道衛(wèi)星、著陸器和漫游者的任務能力。它能以受控的方式進入到指定目標地點并降落，還能用來攜帶或回收小型有效載荷。飛行器可以快速偵察出安全的穿越路線或對可能的科學目標目的地進行偵察，也能探測漫游者無法到達的區(qū)域，能及時的將小的科學樣本帶回火星飛船，返回地球。

圖9 Flexible MAV 無人直升機Fig.9 Flexible MAV unmanned helicopter

圖10 FR微小型直升機Fig.10 FR mini helicopter

圖11 MuFly 無人直升機Fig.11 MuFly unmanned helicopter

圖12 GLMAV 無人直升機Fig.12 GLMAV unmanned helicopter

圖13 Tiger Moth無人直升機Fig.13 Tiger Moth unmanned helicopter

圖14 Sprite航拍機Fig.14 Sprite unmanned helicopter

圖15 Rafael公司FIREFLY巡航彈Fig.15 Rafael FIREFLY cruise missile

圖16 火星探測飛行器Fig.16 Mars exploration vehicle

4 微小型共軸直升機關鍵技術分析

4.1 最優(yōu)化總體設計

微小型共軸直升機的總體設計應考慮質量輕、體積小、機動性高、效能比高幾項原則。如果幾項原則之間存在制約與矛盾時，應考慮飛行器在同一質量下時，其尺寸與機動性、效能比成反比關系［19］。因此，在設計微小型共軸飛行器時，應首先考慮符合拉升強度且足夠輕量化的材料；然后再綜合考量體積、機動性和效能比等因素在具體項目中的重要性，劃分出一定優(yōu)先級以達到總體設計的綜合最優(yōu)。根據技術指標的要求，分解各個子系統(tǒng)的功能和性能，確定各個子系統(tǒng)的布局，對設計好的共軸直升機進行三維立體建模，并對各個結構的運動進行仿真，確保所設計結構的可行性。

4.2 動力與能源

微小型共軸直升機的動力裝置一般包含微型直流電機、電機驅動模塊、旋翼等，能量由機載電池提供。目前各種微小型飛行器都使用電機和電池的組合搭配，電機中線圈和硅鋼片的質量占比大，同時由于電池技術的制約，電池的續(xù)航和質量都亟待提高，致使能源和驅動裝置在整個飛行器的質量中占較大比重，并同時消耗了大部分能量。因此，高效的驅動技術，以及高密度能量的電池技術或能研發(fā)出一種新能源是推動飛行器微小型化普及的關鍵。其次，一般應將發(fā)動機緊靠旋翼軸和主減速器，以使得傳動系統(tǒng)質量最輕。由于動力裝置需要經常進行檢查，要認真考慮動力裝置的使用維護性和可靠性。

4.3 低雷諾數環(huán)境空氣動力學特性

共軸直升機的微小型化不僅是常規(guī)飛行器的簡單縮小，其尺寸的微小型化也帶來許多亟待解決的難題，低雷諾數下的空氣動力學分析即為其中最為重要的問題之一。由于主尺度較小，飛行速度較低，其相應的雷諾數范圍大約在102～105之間。低雷諾數下空氣黏性效應顯著，氣動力出現(xiàn)一些與高雷諾數下顯著不同特性，所以普通直升機的空氣動力學原理不能直接應用于微小型的共軸直升機。一般需要建立三維流場物理模型，采用適合的數值分析方法計算，對低雷諾數下的飛行過程中的各個狀態(tài)流場進行數值模擬，獲得流場分析數據，從而分析低雷諾數環(huán)境下共軸直升機的空氣動力學特性。然后根據其特定的動力學特性，優(yōu)化升力部分的設計，提高飛行器的飛行效率。

4.4 動力學模型的建立

微小型共軸直升機的運動方程應是多體動力學方程，至少應該包括機身運動方程和旋翼揮舞運動方程。直升機飛行動力學把共軸直升機機身視為理想剛體，這樣共軸直升機在空中的運動有6個自由度，即質心的3個移動自由度和繞質心的3個轉動自由度。相應的，共軸直升機的運動方程由質心的移動動力學方程和繞質心轉動的動力學方程組成。旋翼是共軸直升機的升力面，又是飛行器的操縱面，提供使飛行器升降、俯仰和滾轉的操縱力和力矩，完成飛行器向任何方向飛行。旋翼的揮舞化解了飛行器在飛行過程中氣流不對稱對升力造成的影響。旋翼的揮舞對共軸直升機的穩(wěn)定性、操縱性和配平起著關鍵作用，是直升機操穩(wěn)分析的主要特點和難點，也是區(qū)別于固定翼飛機操穩(wěn)分析的主要根源。

實際建模過程中很難建立準確可靠的動力學模型是因為飛行器飛行時會受到空氣動力、重力、旋翼轉動產生的陀螺效應和慣性力矩以及外部環(huán)境的氣流干擾［20］。此外，所使用的旋翼在尺寸和強度方面的數據，也將直接影響模型的準確性。目前，大多采用分體建模法（牛頓力學［21-23］）及一體化建模（Lagrange 方程［24］與Hamilton原理法）。其次，對于模型方程的線性化求解也是影響結果準確度的重點之一。

4.5 飛行控制

飛控系統(tǒng)的設計不僅與所建模型高度相關，也受傳感器反饋精度的影響。微小型共軸直升機不僅有多個變量，非線性強、運動耦合性強、對干擾極其敏感，而且多數都是欠驅動系統(tǒng)，這使得共軸直升機的飛控系統(tǒng)較為復雜。

姿態(tài)控制是共軸直升機飛行控制的重點，共軸直升機的運動存在很強的耦合性：在xy平面的運動，必定耦合z方向的運動。解決了姿態(tài)控制的難題就能實現(xiàn)位置控制，姿態(tài)控制器的設計和驗證一直是國際上研究的重點，如解耦控制算法［22］，基于步進技術的非線性控制算法［23］等。不過就具有類似控制特性的微小型四旋翼飛行器比證，雖然設計非線性控制律在仿真計算時得到的效果很好，但由于采用的模型準確度問題，實驗中表現(xiàn)出的數據反而沒有PID控制來得有效［25-26］。因此，設計出能完成精確的姿態(tài)控制，又具備環(huán)境自適應能力的控制器是一項緊迫的任務。

此外，微小型共軸直升機主要用于近地環(huán)境，近地環(huán)境復雜且遮擋物較多，有建筑群、山地、森林、隧道等。GPS時常丟星，不能準確鎖定位置，在任務實施過程中，需要綜合慣性導航系統(tǒng)、可視系統(tǒng)、雷達等技術。在此場景下，對通信鏈技術的傳輸距離和可靠性也提出了較高的要求。

5 結束語

微小型共軸直升機在軍事和民用領域都有十分廣闊的應用前景，具有長遠的研究價值。同時共軸直升機的微小型化也需要多學科交叉，比如電子、材料、通信、流體力學等，在發(fā)展的同時也能推動多學科研究的深入。我國的微小型共軸直升機尚處于預研或者原理樣機階段，展開此類飛行器的研究意義重大，為實現(xiàn)我國小型無人飛行器跨越式發(fā)展提供理論基礎和技術儲備。