無(wú)人機(jī)飛行操縱品質(zhì)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則之探討

劉成肖

摘要：近年來(lái)，無(wú)人機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展，相比之下，無(wú)人機(jī)飛行品質(zhì)的研究卻相對(duì)滯后。尤其是對(duì)無(wú)人機(jī)操縱品質(zhì)的評(píng)估，目前為止并沒(méi)有較為成熟的準(zhǔn)則。本文試圖從縱向、橫向兩個(gè)角度分析有人飛機(jī)飛行品質(zhì)評(píng)估準(zhǔn)則對(duì)于無(wú)人機(jī)飛行操縱品質(zhì)評(píng)估的適用性，對(duì)無(wú)人機(jī)飛行操縱品質(zhì)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則進(jìn)行探討，并加以分析，以期對(duì)無(wú)人機(jī)飛行操縱品質(zhì)評(píng)估提供借鑒。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī);操縱品質(zhì);評(píng)定準(zhǔn)則;適用性

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）19-0247-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

在無(wú)人機(jī)迅速發(fā)展的背景下，其構(gòu)型、飛控、算法等技術(shù)逐漸成熟，但與無(wú)人機(jī)的“硬要求”飛速發(fā)展形成鮮明對(duì)比的是無(wú)人機(jī)飛行質(zhì)量的研究工作滯后。有觀點(diǎn)認(rèn)為由于目前無(wú)人機(jī)偏向于其實(shí)用性與操作性，且無(wú)人機(jī)主要是依靠飛控系統(tǒng)自主或者自動(dòng)執(zhí)行任務(wù)，飛行員僅扮演監(jiān)控角色（必要時(shí)干預(yù)），并未直接參與飛機(jī)的控制，因此不存在飛行品質(zhì)的問(wèn)題。但是無(wú)人機(jī)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(wù)質(zhì)量的評(píng)估等問(wèn)題均屬于飛行品質(zhì)研究的范疇。

無(wú)人機(jī)飛行品質(zhì)規(guī)范是設(shè)計(jì)飛機(jī)，包括飛行控制系統(tǒng)的依據(jù)和基礎(chǔ)之一。[1]良好的飛行品質(zhì)規(guī)范能夠使無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)和制造事半功倍。然而，與無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展的熱潮相比，其飛行品質(zhì)方面研究相對(duì)較少。本文從發(fā)展相對(duì)成熟的有人飛機(jī)飛行品質(zhì)評(píng)估準(zhǔn)則作為出發(fā)點(diǎn)，就其是否適合在無(wú)人機(jī)上應(yīng)用開(kāi)展了些許探討和分析。

1 無(wú)人機(jī)飛行操縱品質(zhì)

飛行品質(zhì)是衡量飛機(jī)完成特定飛行任務(wù)的精確度及駕駛員工作負(fù)荷的尺度，對(duì)于無(wú)人機(jī)而言，一種是自主式作業(yè)，另一種是遙控式作業(yè)。就這兩種形式的無(wú)人機(jī)而言，研究“駕駛員工作負(fù)荷尺度”意義不大，但是飛行任務(wù)的精確性對(duì)于無(wú)人機(jī)而言卻有著重大意義，對(duì)于遙控式無(wú)人機(jī)，在人為操縱的狀態(tài)下進(jìn)行作業(yè)，就其操縱品質(zhì)是否符合任務(wù)要求，需要一定的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估，這也充分說(shuō)明了研究無(wú)人機(jī)飛行品質(zhì)中操縱品質(zhì)的重要性。

從主觀評(píng)估角度而言，有人機(jī)使用的評(píng)價(jià)尺度是Cooper和Harper制定的C-H評(píng)價(jià)尺度[10]，并劃分為10個(gè)等級(jí)，但其都是圍繞駕駛員來(lái)進(jìn)行評(píng)定的，根據(jù)無(wú)人機(jī)的特點(diǎn)修改，可適用于無(wú)人機(jī)，具體如表1所示。

無(wú)人機(jī)即利用飛控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自主飛行，即通過(guò)飛行控制裝置控制無(wú)人機(jī)按設(shè)定好的航跡飛行，并保證姿態(tài)的穩(wěn)定，其通過(guò)傳感器、陀螺儀等感受無(wú)人機(jī)機(jī)的航跡、姿態(tài)等信息，駕駛員（操縱員）不直接參與飛機(jī)的操縱; 而有人機(jī)則是通過(guò)駕駛員來(lái)控制。駕駛員安全舒適地駕駛飛機(jī)，且能在整個(gè)飛行包線(xiàn)內(nèi)較好的完成飛行任務(wù)時(shí)所呈現(xiàn)的特性，稱(chēng)為飛機(jī)的飛行品質(zhì)[2]，這就導(dǎo)致了其構(gòu)成的人——機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)的重心是駕駛員，故而有人機(jī)的飛行品質(zhì)評(píng)定準(zhǔn)則不能照搬到無(wú)人機(jī)上進(jìn)行應(yīng)用。下面從縱向和橫向兩個(gè)方面，通過(guò)對(duì)有人機(jī)飛行品質(zhì)評(píng)估準(zhǔn)則的分析，探討在無(wú)人機(jī)上應(yīng)用的可行性。

2 飛行操縱品質(zhì)的評(píng)價(jià)原理與方法

2.1 飛行操縱品質(zhì)原理

無(wú)人機(jī)的誕生可追溯到20世紀(jì)初，初衷是軍用，但在21世紀(jì)得到了迅速發(fā)展與推廣，尤其近年來(lái)在我國(guó)，無(wú)人機(jī)早已“飛入尋常百姓家”，在其迅速發(fā)展的背后，監(jiān)管、規(guī)范的缺失與不足日益顯現(xiàn)，為確保飛機(jī)能安全、高效的飛行，故而在飛機(jī)的操縱系統(tǒng)、試飛過(guò)程中必須遵循相關(guān)權(quán)威部門(mén)頒發(fā)的規(guī)定性文件，這就是飛機(jī)飛行品質(zhì)規(guī)范。就有人機(jī)而言，通過(guò)大量的飛行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，制定出一套對(duì)飛機(jī)飛行品質(zhì)評(píng)估的準(zhǔn)則和要求，并以此來(lái)衡量大多數(shù)飛機(jī)的飛行品質(zhì)，具有普遍性和共性[3]。在航空發(fā)達(dá)的國(guó)家（如英、美等）都投入了大量的人力、物力、財(cái)力進(jìn)行飛行品質(zhì)的研究，最具成效的當(dāng)屬美國(guó)，其先后頒布了 AAF- C-1815、 USAF-1815- B、 MIL- STD-1797等規(guī)范飛機(jī)的飛行品質(zhì)規(guī)范， 鑒此為世界各國(guó)參考、引用。

滿(mǎn)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(shí)，系統(tǒng)均能得到期望的性能 1級(jí) 優(yōu)，好用 存在一定程度干擾，系統(tǒng)可以得到期望性能 2級(jí) 良，但抗干擾能力較弱 存在一定程度擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)勉強(qiáng)能得到期望的性能 3級(jí) 不滿(mǎn)意的 有些不好 無(wú)擾動(dòng)、外界調(diào)節(jié)良好時(shí)，系統(tǒng)可以得到期望性能， 4級(jí) 比較不好 無(wú)擾動(dòng)、外界條件良好時(shí)，系統(tǒng)也能得到適度的性能 5級(jí) 非常不好，但可以容忍 無(wú)擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)勉強(qiáng)可以得到適度的性能 6級(jí) 不可接受的 勉勉強(qiáng)強(qiáng)執(zhí)行任務(wù) 存在一定程度擾動(dòng)時(shí)，勉強(qiáng)可執(zhí)行任務(wù) 7級(jí) 無(wú)人機(jī)不可操縱 有嚴(yán)重缺陷 無(wú)法完成飛行任務(wù) 8級(jí) ]

2.2 低階等效方法

所謂低階等效系統(tǒng)[4]是指，高階增穩(wěn)系統(tǒng)的低階等效系統(tǒng)在相同的初始條件下且外界刺激一樣，在相當(dāng)頻域內(nèi)或時(shí)間段內(nèi)，在對(duì)應(yīng)指標(biāo)下輸出量的差值最小，則稱(chēng)此低階系統(tǒng)是高階系統(tǒng)的低階等效系統(tǒng)[5]。MIL- STD-1797中規(guī)定，在進(jìn)行等效擬配時(shí)，要求對(duì)俯仰角速率和法向過(guò)載同時(shí)開(kāi)展擬配，將駕駛員對(duì)桿的操作情況作為輸入量。

低階等效系統(tǒng)的失配邊界是駕駛員對(duì)不能察覺(jué)到的最大額外動(dòng)態(tài)響應(yīng)的異差反應(yīng)，若將其方法應(yīng)用到無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中，失配邊界則需要根據(jù)無(wú)人機(jī)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)角頻率、指令響應(yīng)等特性進(jìn)行重新定義，此時(shí)，有人機(jī)該系統(tǒng)的低階等效傳遞函數(shù)[10]也不再適用，此方法也就失去了意義，故此方法不建議運(yùn)用到無(wú)人機(jī)飛行品質(zhì)的評(píng)估。

3 無(wú)人機(jī)飛行品質(zhì)的評(píng)定準(zhǔn)則初探

3.1 縱向飛行品質(zhì)

3.1.1 CAP準(zhǔn)則

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

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

即飛機(jī)初始的俯仰角加速度與穩(wěn)態(tài)過(guò)載之間的比值，操縱期望參數(shù)CAP等于單位桿力所產(chǎn)生的初始俯仰角加速度[MFS]（即桿力靈敏度）與穩(wěn)態(tài)機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，產(chǎn)生單位過(guò)載所需桿力[FNYZ]（即單位過(guò)載桿力）之積[6]。由此可見(jiàn)，操縱期望參數(shù)與駕駛員操縱感覺(jué)有著密切聯(lián)系。

由于飛行員在空中對(duì)俯仰加速度十分敏感 ，當(dāng)飛行員感受到飛機(jī)過(guò)載變化時(shí)，通過(guò)控制飛行軌跡進(jìn)行調(diào)整，這就要求飛機(jī)過(guò)載與俯仰姿態(tài)加速度之間的動(dòng)態(tài)必須在人體感受能力之內(nèi)。

由于CAP準(zhǔn)則要求飛行員在空中對(duì)飛機(jī)運(yùn)動(dòng)的感知，且與桿力靈敏度[MFS]、單位過(guò)載所需桿力[FNYZ]密切相關(guān)，而無(wú)人機(jī)系統(tǒng)并不存在這兩者，而是依靠傳感器、陀螺儀等進(jìn)行姿態(tài)感知，若要將該準(zhǔn)則運(yùn)用到無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，本文建議在無(wú)人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段就將CAP準(zhǔn)則考慮在內(nèi)，優(yōu)化傳感器及飛控程序，進(jìn)而可按照CAP準(zhǔn)則來(lái)評(píng)定其飛行品質(zhì)。

3.1.2 帶寬準(zhǔn)則

帶寬準(zhǔn)則是由規(guī)定的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)帶寬及時(shí)間延遲[τp]的相互關(guān)系定義的[6]。它是俯仰姿態(tài)對(duì)駕駛員操縱力（對(duì)應(yīng)力操縱系統(tǒng)）或操縱位移（對(duì)應(yīng)位移操縱系統(tǒng)）的開(kāi)環(huán)頻響中，相位裕度等于大于45°或增益裕度等于大于6dB所對(duì)應(yīng)頻率中的較小者[7]。時(shí)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(shí)的頻率;[φ2ω180]時(shí)2倍[ω180]頻率處的相角。

依據(jù)上述定義，首先從相頻特性曲圖（圖2）線(xiàn)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(shí)的時(shí)的頻率[ω135]，該頻率即定義為相頻頻寬[ωBP]，然后找到[ω180]所對(duì)應(yīng)的幅值，在此基礎(chǔ)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(shí)的相角[φ2ω180]，并利用[τp]的計(jì)算公式求得延遲時(shí)間[τp]，依據(jù)求得的帶寬及[τp]即可判斷系統(tǒng)的飛行品質(zhì)等級(jí)，如圖3所示。

采用這種標(biāo)準(zhǔn)的好處是，它的適應(yīng)能力比較強(qiáng)，它可以直接用于具有非常規(guī)模飛機(jī)的飛行品質(zhì)評(píng)定，由于此準(zhǔn)則不是基于人-機(jī)的閉環(huán)系統(tǒng)，且適用性較好，故而帶寬準(zhǔn)則可以適用于無(wú)人機(jī)飛行品質(zhì)評(píng)定。但也并非可以照搬，還需尋找無(wú)人機(jī)-傳感器系統(tǒng)的邊界，也就是最大帶寬，以保證無(wú)人機(jī)系統(tǒng)可以在此范圍內(nèi)準(zhǔn)確、安全地作業(yè)。

3.2 橫向飛行品質(zhì)

無(wú)人機(jī)的橫向運(yùn)動(dòng)也存在一定穩(wěn)定性和操縱性問(wèn)題，是對(duì)無(wú)人機(jī)繞縱向?qū)ΨQ(chēng)平面內(nèi)兩個(gè)正交軸的轉(zhuǎn)動(dòng)[7]，以及沿縱向?qū)ΨQ(chēng)平面垂直軸移動(dòng)的研究。由于相應(yīng)的氣動(dòng)力及氣動(dòng)力距變化復(fù)雜，所以對(duì)無(wú)人機(jī)橫向飛行品質(zhì)準(zhǔn)則的探討較縱向而言相對(duì)復(fù)雜些。

在STD-F-1797規(guī)范中，飛行品質(zhì)分為滾轉(zhuǎn)軸的飛行品質(zhì)和航向軸的飛行品質(zhì)[8]，下面以STD-F-1797中的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則為例，探討其在無(wú)人機(jī)上的適用性。

3.2.1 滾轉(zhuǎn)軸的飛行品質(zhì)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

對(duì)滾轉(zhuǎn)軸飛行品質(zhì)的要求包含多個(gè)方面，其中最重要的動(dòng)態(tài)特性要求是滾轉(zhuǎn)操縱時(shí)的滾轉(zhuǎn)響應(yīng)，由滾轉(zhuǎn)模態(tài)時(shí)間常數(shù)[TR]、螺旋模態(tài)的穩(wěn)定性、滾轉(zhuǎn)-螺旋耦合震蕩、其他要求等決定。

等效滾轉(zhuǎn)模態(tài)時(shí)間常數(shù)[TR]是用來(lái)描述飛機(jī)的滾轉(zhuǎn)阻尼特性，數(shù)據(jù)表明，駕駛員的評(píng)分是滾轉(zhuǎn)阻尼函數(shù)，滾轉(zhuǎn)阻尼就可用一階滾轉(zhuǎn)模態(tài)時(shí)間常數(shù)[TR]來(lái)表示[9]。所以，根據(jù)飛機(jī)類(lèi)型、不同飛行階段給出了滾轉(zhuǎn)時(shí)間常數(shù)最大建議值，而后根據(jù)駕駛員評(píng)分與[TR]之間的關(guān)系進(jìn)行評(píng)價(jià)。螺旋模態(tài)是在滾轉(zhuǎn)受外界干擾時(shí)，飛機(jī)產(chǎn)生的航向的變化及緩慢的滾轉(zhuǎn)，利用螺旋模態(tài)的時(shí)間常數(shù)[TS]及等效系統(tǒng)來(lái)評(píng)定。

3.2.2 航向軸的飛行品質(zhì)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

航向方面的飛行品質(zhì)要求，主要有航向動(dòng)態(tài)相應(yīng)、航向軸對(duì)滾轉(zhuǎn)操作的相應(yīng)等。飛機(jī)對(duì)航向輸入所產(chǎn)生的滾轉(zhuǎn)震蕩響應(yīng)特性與航向，主要用荷蘭滾模態(tài)的阻尼比[ξd]及自然頻率[ωd]以及[ξd·ωd]的乘積來(lái)表示。在進(jìn)行滾轉(zhuǎn)操作時(shí)需要留有足夠的航向裕度來(lái)進(jìn)行所需的進(jìn)入、退出協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎。起碼對(duì)于飛行操縱員來(lái)說(shuō)是可操作的，換言之，即在飛機(jī)進(jìn)行滾轉(zhuǎn)操縱時(shí)，以側(cè)滑角作為參考其數(shù)值即為可操縱裕度的度量， 或者直接規(guī)定協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎時(shí)腳蹬的需求量。

綜上兩個(gè)軸的飛行品質(zhì)都與飛行員的主觀評(píng)定、橫桿和腳蹬輸入量密切相關(guān)，且評(píng)價(jià)參數(shù)也不適用無(wú)人機(jī)，由于無(wú)人機(jī)的橫向狀態(tài)量包含滾轉(zhuǎn)速率、偏航速率、側(cè)滑角、滾轉(zhuǎn)角，利用這些狀態(tài)量建立無(wú)人機(jī)橫向動(dòng)力學(xué)特征方程，故而飛機(jī)橫向飛行品質(zhì)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則可在無(wú)人機(jī)上運(yùn)用的方面較少，而無(wú)人機(jī)橫向具體評(píng)價(jià)準(zhǔn)則還需進(jìn)一步研究和探討。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)的興起，無(wú)人機(jī)的發(fā)展日益迅速，在其迅速發(fā)展的背景下，對(duì)無(wú)人機(jī)飛行品質(zhì)的研究相對(duì)落后，至今仍沒(méi)有一套完整的針對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行品質(zhì)評(píng)估準(zhǔn)則，因此對(duì)無(wú)人機(jī)飛行品質(zhì)的研究愈發(fā)重要。本文依據(jù)飛機(jī)飛行品質(zhì)評(píng)估準(zhǔn)則，探討其在無(wú)人機(jī)上運(yùn)用的實(shí)用性與可行性并給出使用建議，對(duì)無(wú)人機(jī)飛行品質(zhì)評(píng)估準(zhǔn)則的研究有一定參考意義。

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