無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)研究

摘要：隨著我國科學(xué)水平和通訊技術(shù)、信息技術(shù)、遙感技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)被廣泛應(yīng)用于空中偵察、監(jiān)視、通訊、反潛、電子干擾等領(lǐng)域，作為無人機(jī)心臟的飛行控制系統(tǒng)其若干關(guān)鍵技術(shù)可以為無人機(jī)的地面操縱運(yùn)動(dòng)、飛行性能和品質(zhì)提供可靠的保障。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);飛行控制系統(tǒng);關(guān)鍵技術(shù);研究

隨著我國科學(xué)水平的快速發(fā)展，并伴隨著通訊技術(shù)、信息技術(shù)、遙感技術(shù)的發(fā)展，一種“會(huì)飛的照相機(jī)”誕生了，它就是被廣泛應(yīng)用于空中偵察、監(jiān)視、通訊、反潛、電子干擾等領(lǐng)域的無人機(jī)，由于其成本低、使用靈活、適用范圍廣，目前得到了迅速發(fā)展，甚至有的人用它來記錄日常工作和生活。無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)是無人機(jī)的心臟，其若干關(guān)鍵技術(shù)可以為無人機(jī)的地面操縱運(yùn)動(dòng)、飛行性能和品質(zhì)提供可靠的保障。

一、無人機(jī)、無人機(jī)系統(tǒng)與無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)

通俗的說，無人機(jī)是一種飛行器，它不載人、借助空氣動(dòng)力起飛、通過遙控或自主飛行，根據(jù)設(shè)計(jì)或使用者的需要有一次性的也有可回收使用的，但一定攜有致命或非致命有效載荷。

無人機(jī)系統(tǒng)是由飛機(jī)平臺(tái)系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)和地面控制系統(tǒng)即控制站、任務(wù)載荷、導(dǎo)航系統(tǒng)和通信鏈路組成。控制站是飛行操控和任務(wù)規(guī)劃中心，通過上行通信鏈路發(fā)送指令，控制飛行，操控所攜帶的各種任務(wù)載荷，通過下行通信鏈路，接收飛機(jī)回傳的信息和圖像，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互;任務(wù)載荷是無人機(jī)上為完成特定任務(wù)而攜帶的設(shè)備，它根據(jù)任務(wù)的需要分為兩種，一種是非消耗型（如，雷達(dá)系統(tǒng)、污染監(jiān)測(cè)等），能夠重復(fù)使用，另一種是消耗型（如，植保系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)、救生等）;導(dǎo)航系統(tǒng)是用于雷達(dá)跟蹤、無線電跟蹤、直接估計(jì)的慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、組合導(dǎo)航等;通信鏈路就是發(fā)送上行、下行指令、信息、任務(wù)等的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，無人機(jī)系統(tǒng)的工作原理如下圖所示：

無人機(jī)系統(tǒng)的工作原理圖

無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)是能夠穩(wěn)定無人機(jī)飛行姿態(tài)，并能控制無人機(jī)自主或半自主飛行的控制系統(tǒng)，是無人機(jī)的大腦，由GPS接收機(jī)板、穩(wěn)定和導(dǎo)航控制板、機(jī)載通訊板、電路板以及機(jī)載遙控接收機(jī)板五部分組成，GPS接收機(jī)板主要是為穩(wěn)定與導(dǎo)航板提高經(jīng)緯度、GPS位置信息、高度、飛機(jī)位置和衛(wèi)星信號(hào)等信息;穩(wěn)定和導(dǎo)航控制板主要是對(duì)GPS接收機(jī)傳送的信息進(jìn)行計(jì)算和分析，對(duì)無人機(jī)飛行進(jìn)行有效控制;機(jī)載通訊板就是接收穩(wěn)定和導(dǎo)航控制板縮傳送的信息和數(shù)據(jù)并進(jìn)行下傳;電源板就是給飛機(jī)的舵機(jī)、停車?yán)^電器等提供電源和控制飛控盒;機(jī)載遙控接收機(jī)板主要是將從地面接收和獲取到的信息反饋給穩(wěn)定控制板、導(dǎo)航板和通信板。

二、無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)研究

無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)是無人機(jī)的心臟，承載著無人機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定和控制、無人機(jī)任務(wù)設(shè)備管理和應(yīng)急控制等任務(wù)，其設(shè)計(jì)的內(nèi)容較多而且涉及的學(xué)科范圍廣泛（如，空氣動(dòng)力學(xué)、飛行力學(xué)等），其中關(guān)鍵技術(shù)至關(guān)重要。

（一）無人機(jī)建模技術(shù)可以提高地面操縱運(yùn)動(dòng)品質(zhì)

無人機(jī)建模技術(shù)包含機(jī)理建模、系統(tǒng)辨識(shí)建模、在模型精度和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)上折中。系統(tǒng)辨識(shí)建模是對(duì)無人機(jī)氣動(dòng)參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)的方法，這種方法容易受到因氣動(dòng)參數(shù)較多，導(dǎo)致工作難度系數(shù)增大和重復(fù)試驗(yàn)、不斷處理數(shù)據(jù)信息的影響以及辨識(shí)結(jié)果的適用范圍有限，目前已經(jīng)被機(jī)理建模所取代。機(jī)理建模是應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)和飛行力學(xué)，對(duì)無人機(jī)地面滑跑階段進(jìn)行研究的方法，包括了六自由度模型、非線性模型和動(dòng)力學(xué)模型，這種方法由簡(jiǎn)單的兩、三自由度模型發(fā)展為六自由度模型，并且考慮到空氣動(dòng)力和無人機(jī)地面滑跑階段的受力因素，實(shí)現(xiàn)了由剛性建模向彈性建模的過度。無人機(jī)系統(tǒng)建模為了呈現(xiàn)無人機(jī)真實(shí)的運(yùn)動(dòng)特性，從而指導(dǎo)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研發(fā)，模型的復(fù)雜程度和精確度越高，其反應(yīng)出的更接近真實(shí)系統(tǒng)，但同時(shí)導(dǎo)致控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜系數(shù)越大，因此，需要建立模型精度和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)上折中的方法?？傊?，無人機(jī)建模技術(shù)可以提高無人機(jī)地面操縱運(yùn)動(dòng)的品質(zhì)。

（二）飛行控制技術(shù)可以提高飛行性能和品質(zhì)

飛行控制技術(shù)是飛行控制系統(tǒng)的核心技術(shù)包括以時(shí)域響應(yīng)、根軌跡等特性為理論依據(jù)的經(jīng)典設(shè)計(jì)理論和以動(dòng)態(tài)逆控制、魯棒控制、自適應(yīng)控制等為代表的現(xiàn)代控制理論。經(jīng)典設(shè)計(jì)理論主要用于縱向、橫側(cè)向弱耦合且機(jī)動(dòng)性要求較低的無人機(jī)，其方法簡(jiǎn)單，但不能適應(yīng)現(xiàn)代飛機(jī)的整個(gè)飛行指標(biāo)要求，現(xiàn)代控制理論在理論上適合現(xiàn)代飛機(jī)的飛行要求，但受建模技術(shù)等的影響，目前仍然無法應(yīng)用于實(shí)際工程，只有二者相結(jié)合，進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，才能提高無人機(jī)飛行性能和品質(zhì)。

（三）飛行控制律確認(rèn)與評(píng)估技術(shù)可以提高飛行控制律設(shè)計(jì)的效率和可靠性

飛行控制律確認(rèn)與評(píng)估技術(shù)是確保飛行安全和取得放飛許可的關(guān)鍵技術(shù)，也是飛行控制技術(shù)的重要環(huán)節(jié)，其常用方法有：μ分析、νgap分析、基于多項(xiàng)式的分析、分叉分享以及基于優(yōu)化理論分析等，是用來分析和度量飛控系統(tǒng)中各指標(biāo)參數(shù)在可預(yù)測(cè)的情況下，能夠滿足飛行安全性和品質(zhì)要求，提高設(shè)計(jì)效率和可靠性。

三、結(jié)語

未來隨著科技發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，無人機(jī)將作為一個(gè)終端設(shè)備被普及，廣泛應(yīng)用于人們的日常消費(fèi)、娛樂以及農(nóng)業(yè)和巡視等領(lǐng)域，無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)也將成為數(shù)據(jù)終端的核心，將大量信息回傳和分發(fā)，用戶可以通過付費(fèi)的方式獲取有價(jià)值的信息。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：項(xiàng)目名稱：Research on air pollution vertical distribution monitoring system based on multi rotor UAV內(nèi)蒙古教育廳課題。項(xiàng)目編號(hào)NJZY19274，項(xiàng)目編號(hào)NJDJZJR1803

作者簡(jiǎn)介：李竟達(dá)（1983），男，漢族，內(nèi)蒙古赤峰人，控制工程碩士，講師，研究方向：控制工程。