小型无人直升机的飞行控制系统

摘 要 小型无人直升机在很多行业中都有应用，例如地质探查、地理测绘、农业种植等等，无人机的研发和使用给很多行业工作的开展带来了非常多的便利。我国运用小型无人直升机的历史还不是非常久远，所以相关的技术也不是非常的完善，直升机在飞行过程中，容易出现操控困难、坠毁等问题。本文研究的蛀牙方向就是关于小型无人直升机的飞行控制系统设计，以全面提高无人直升机的飞行系统，降低其飞行难度，使之变得更加的易于操控。

【关键词】小型无人直升机 飞行系统设计 飞行控制特性

小型无人直升机的飞行控制系统是直升机最重要的部位，也是核心部位，如果无法实现良好的飞行，直升机的其它功能也将难以展现。在实际设计的过程中，很多技术人员都遇到了飞行控制难题，这使得无人机设计进入了长时间的瓶颈期，设计速度也随之降低。

1 小型无人直升机飞行控制特性分析

1.1 建模困难

小型无人直升机在飞行过程中，容易受到外界气流干扰。此外，由于超小型无人直升机选择体积小，重量轻，易变形的材料，因此难以建立精确的动力学模型。此外，对于微旋翼气动问题，建立旋翼数学模型时需要解决低雷诺兹数问题，雷诺兹数对微旋翼提升特性的影响很大。要建立较为复杂的旋翼数学模型，要求旋翼控制系统必须设计具有较强的鲁棒性和弱相关性模型。

1.2 欠动

无人直升机的六个空间运动度使得起飞行控制系统存在严重的缺陷，也就是欠驱动性。旋翼转速的控制输入量存在不足，因此，小型无人直升机是一个典型的欠驱动系统。飞行控制系统欠驱动主要是因为其非线性特点，所以不能够全面的反映其线性化特点，所以其飞行控制系统设计较为复杂，且控制存在一定的困难。关于欠驱动系统的研究一般是针对结构相对单一的系统，或者是移动机器人，适合用在欠驱动旋翼的控制系统还比较欠缺。

1.3 强耦合

小型无人直升机需要使用多个输入控制输出六个自由度，因此它具有高度的耦合特性，控制输入的任意一个旋翼的转速变化都会影响到至少三个自由度。例如，增加旋翼左旋转速度，其他三个旋翼的转速恒定，会使飞机由于旋翼拉力差出现翻转；同时，也可能出现向右平移的情况；此外，根据旋翼和旋翼不平衡产生的反转扭矩反应，也可导致飞机横摆到左边。此外，直升机的左右旋翼之间也会由于这样的力量差导致飞机偏离制定航向，直升机飞行姿态和飞行位置之间同样存在强耦合。由于直升机旋翼具有良好的耦合特性，旋翼在全飞行包线控制系统设计时，必须充分考虑各种可能的飞行状态，以保证控制系统具有良好的解耦性和鲁棒性。

1.4 受外界影响大

小型无人直升机在空中，外部环境，例如会通过空气、风的影响，会对飞机的飞行产生不利影响，尤其是超小型小型无人直升机体积小，重量轻，速度低，更容易受到外部扰动的影响。通过设计具有很强的鲁棒性控制系统、自适应能力强的飞行控制并不能完全解除外界干扰，只有通过分析时变气动特性和非线性飞行力学特性，以此为基础，展开飞行控制系统设计，才能尽可能的使无人机在抵御外界干扰的情况下，保持平稳飞行。此外，因为大多数的小型无人直升机旋翼采用柔性材料，质量轻，阵风扰动对升力和阻力特性存在较大影响，旋翼变形后直升机的飞行控制室一个较为实际的设计问题。

2 小型无人直升机的飞行控制系统设计

2.1 数学建模

要达到对直升飞机飞行的有效控制，首先应该了解各种环境和状态下的直升机动态特点，了解起旋翼的特性，以此为依据建立数学模型。我们根据上文所描述的关于直升机旋翼的各种动力学特性，建立一个关于直升机旋翼控制的数学模型，分析其中存在的动力学问题。常用的数学建模分析方法主要有理论推导法和实验辨识法。其中理论推导法主要用于分析飞机各部件的物理结构应急特征，通过科学的计算，得出一个线性或者是非线性数学模型；而后者则主要是通过实际的是要，采用系统辨识得出相关的数据。我国目前较为常用建模方法主要是理论推导，其特点是简化约束条件，实现快速建模。

2.2 飞行控制方法

小型无人直升机各种特点使得它的飞行控制系统存在很多的问题，比如飞行控制系统无法适应其强耦合性，飞行控制易受天气等外界因素干扰等等，这对控制系统的敏感性、灵活性和操控性造成了很大的影响。但即便是如此，小型无人直升机的应用优势也吸引了很多的人才对其飞行控制系统展开研究设计，例如表1当中所列举的几种飞行控制方法及其特点。其中，PID单通道飞行控制系统的研究相对成熟，其特点是易于实现，目前在小型无人直升机飞行控制中的应用也较为广泛，其缺陷是操控较为繁琐，而且设备体型较大，携带非常不便，其解耦性以及鲁棒性等固有的特点也使得该系统限制了飞机螺旋桨的性能。现代技术和领域理论的发展，催生了很多的智能化技术，很多新兴的技术被用到了PID控制系统当中，例如模糊技术，这使得传统的PID单通道控制变得更加的先进且具有优势。该类型系统主要是建立在稳定性理论的基础之上，能够使飞行控制系统更具稳定性，能够实现对飞机飞行的整体性控制，比较适用于对反馈控制具有严格要求的系统结构。

3 结束语

小型无人直升机的飞行控制系统设计与实现应当充分结合飞行控制系统的特性进行，通过对常见的控制难题展开针对性的设计，就可以有效的解决老旧飞行控制系统中存在的问题，提高直升机的飞行控制效果。

参考文献

[1]潘越，宋萍，李科杰.基于PowerPC和FPGA的小型无人直升机飞行控制计算机系统设计[J].计算机测量与控制，2013（01）：253-254.

[2]江涛，吴爱国，郭润夏，崔巍，张洁.基于DSP和FPGA的无人直升机飞行控制系统[J].计算机工程与设计，2015（07）：236-237.

[3]段镖，严峰，赖水清.基于FlightGear的无人直升机飞行控制系统仿真环境建设[J].直升机技术，2014（04）：533-534.

作者单位

黑龙江大学电子工程学院 黑龙江省哈尔滨市150000