无人机飞行控制技术

无人机飞行控制技术方舟航空学院10/12/2008无人机的军事需求•无人机比有人飞机更具优势的特性包括：在克服枯燥方面，机器比人具有更长时间的灵敏性；对于应付放射性侵害和危险方面，免使执行任务人员受到核辐射伤害；在侦察方面，采用无人机的政治和人员风险更低，任务的成功几率更高。更低的负面风险和更高的任务成功率是继续扩展无人机系统的两大推动力。——美国国防部无人机在美国的发展现状•美国国防部将无人机系统分类为大型无人机系统；概念探索无人机系统(用于开发新的技术或作战概念)；特种作战无人机系统(只装备特种作战司令部)；小型无人机系统(可由l－2人操作的迷你型或微型无人机系统)无人飞艇(包括浮空器和软式飞艇)。•到2004年月，美国已经装备20多种无人机，总飞行时间已经超过10万个飞行小时。•执行的任务不仅仅是侦察，还涉及到对地攻击、部队防护、以及信号收集等。•在成本上，从几千美元到几千万美元不等•在重量上，既有重量不足1磅的微型飞行器，也有重量超过4万磅的大型飞机。•目前每年无人机系统的市场份额为27亿美元。大型无人机系统：捕食者MQ-磅MQ-磅机长26.7英尺翼展48.7英尺总重2250磅有效载荷450磅燃油载荷665磅燃料类型航空汽油发动机型号Rotax914F功率115马力数据链类型超视线频段Ku波段视线C波段续航时间24小时(无外挂)/14小时(带外挂)最大/巡逻速度118/70海里/小时升限25000英尺使用半径500海里起飞方式跑道降落方式跑道传感器类型光电/红外传感器型号雷神AN/AAS-52合成孔径雷达诺斯罗普·格鲁门AN/ZPQ-1“火线哨兵”（FireSscout）RQ-8BRQ-8B机长22.9英尺翼展27.5英尺总重3150磅有效载荷600磅燃油载荷1288磅燃料类型JP-5/JP-8（航空煤油）发动机型号罗尔斯·罗伊斯250-C20W功率420轴马力数据链类型视线指挥与控制频段Ku波段/超高频视线视频Ku波段续航时间6小时最大/巡逻速度125/0海里/小时升限20000英尺使用半径150海里起飞方式垂直降落方式悬停传感器类型光电／红外／激光指示器／测距仪传感器型号FSIBriteStarII已交付5架／己计划采购192架武装到班一级的迷你型：“指针”自1989年以来，海军陆战队、陆军和空军已采购了大约100架以电池为动力的、手持式发射的FQM-151“指针”无人机。这些飞机曾在海湾战争中使用，最近又在“持久自由”和“伊拉克自由”作战行动中使用。未来的空战主导者：无人战斗武装旋翼机无人战斗武装旋翼机是国防高级研究计划局与陆军的联合项目，其目标是演示一种可作为未来部队构成、能有效且经济地执行武装侦察和攻击任务的智能垂直起降无人机的技术可行性、作战价值和军事效用。该项目己开始开发，设计，整合和演示关键与赋能技术。例如：自主与协同作战、低高度自主飞行、生存力及目标瞄准／武器投射。2010年之前将转为陆军的采办项目。无人机发展的趋势美国认为，新一代的无人机系统应该具备续航时间长、拥有隐身能力、可进行空中预警以及作战能力。对导航、制导及控制存在以下需求：–要求飞控系统具有在高速、高机动性条件下的控制能力。–要求无人机的“看见”和自主躲避其他飞机的能力，提供与有人系统相当的安全水平。–改进无人机的抗恶劣天气的能力，以提高其任务可用度和任务效能。•未来将成为空战的主导力量；今后十年的年均市场份额将高达83亿美元。对导航、制导及控制提出的挑战•上表是美国对无人机自主水平提出的10级标准，这是对控制提出的极大挑战！•美国现役的无人直升机“火力侦察兵”的自主水平为3级：即具备容错控制和自适应控制的能力。无人机发展趋势对飞控提出的新挑战•无人机的发展趋势：高空/高速/长航时（30000m/0.7M/30h）•视距内无线电操纵→超视距遥控→全自主导航飞行•对飞控提出的新挑战：精确制导与控制智能化：路径在线规划、编队协同等系统低成本、低功耗与小体积的同时保证高可靠性飞控系统构成在现代无人机系统中，整个飞控系统成本构成整机成本的70%以上！机上飞行控制系统•从功能上可以分为三个子系统：1)导航子系统：给出位置/速度/姿态信息2)制导子系统：处理导航/惯性参考轨迹数据，给出航点设定信息3)控制子系统：运算产生舵面信号，调整无人机的姿态达到设定值上述三个子系统在逻辑上构成闭环。无人机飞控关键技术•先进控制技术•传感器技术•通信技术美国“捕食者”无人机我国“长空一号”高速无人机无人机控制技术•经典飞控控制律设计方案：在飞行包线内的几个特定状态线性化飞行动态模型，针对每一飞行状态设计线性控制器，然后利用差值策略将不同的工作点的设计综合起来。•优点：简单实用、有成功应用的先例•缺点：理论上无法保证全局的稳定性、鲁棒性和性能最优。传感器技术•传感器系统的成本占到飞控系统成本的70%以上。•功能：通过将各个传感器信息有效地获取、处理和融合，得到对无人机位置/速度/姿态等飞行状态信息的实时估计，使反馈闭环的构成成为可能•理论性问题：多传感器的信息融合，是美国确定的无人机支撑技术之一。传感器的组合•传感器组合要考虑到信息的完备性、冗余性。•通常的组合方案：INS+GPS+大气信息系统。在全球鹰/捕食者等机型上成功使用。•INS(惯性导航系统)：陀螺仪+加表+磁航向表，得到姿态、加速度、角速率等信息。•GPS：得到位置、高程、速度等信息•大气信息系统：静压计，空速表，得到气压高度和对空速度•无线电高度表：飞行对地高度传感器选型原则•器件可靠，满足飞行环境要求•性能良好，满足飞行任务要求•高集成度，降低后期开发难度•体积小、重量轻•低成本、低功耗通信技术•高带宽、高可靠的数据链系统是从地面对无人机实行有效监控的关键技术，使得对无人机实施超视距遥控和干预成为可能。•工程问题：远距离通信的中继典型的无人机飞控系统方案•设计原则：简单、实用、可靠及低成本便于升级和扩展符合总体要求具有一定的先进性电源管理模块ECU飞行信息系统（含气压计、空速传感器、IMU）V尾舵机/副翼舵机电源气囊GPS接收机北斗无源接收机天线天线数字罗盘空速管发动机下级控制器任务设备伞飞行信息计算机飞行管控计算机北斗主动式收发机无线电高度仪天线天线传感器系统•包含如下子系统：飞行信息系统，集成有IMU、空速计、气压计、电子罗盘卫星定位系统：北斗无源机+GPS(辅助)无线电高度仪•设计目标：各传感器信息融合后估计性能应能达到：50～4000m范围内较精确的高度估计；0～0.677M范围内的速度估计；足够的估计带宽。具体的性能指标应由总体设计目标给出。主控计算机系统•对外围设备不少于8串口的IO支持•主频不低于300Mhz•研发阶段要考虑本地数据存储（类似于黑匣子）•机载实时操作系统(RTOS)支持•-40~85℃宽温控制律综合•在不要求大机动飞行的前提下，控制律以完成定常飞行为主要目标•以经典的设计方法(案)为首选•弹射阶段的控制介入问题•控制周期的选择要综合控制带宽和舵机的动态特性来确定执行机构(舵机)•在满足定常飞行所需的操纵力矩和响应速度的前提下，尽可能选择重量轻，耗能小的型号电源系统•考虑系统重量、体积、工作温度的限制，系统拟采用锂离子电池供电•电池组额定电压为25.9V，容量为17.6AH，足够系统工作1小时以上数据链系统•试验飞行阶段采用900MHz的无线数传链路