适用于察打一体的固定翼飞机的矢量控制系统

郑建乐 张保泽 裴荣红 李冀幸 张骞月

摘 要：在现阶段无人机技术十分成熟，但是仍有些限制性因素得不到解决，本文就介绍了一种适用于对地侦查与打击项目的矢量电机控制系统及其设计原理、制作工艺；及其与传统前拉式飞机和双发动机差速转向飞机相比的优势以及发展前景与实际应用。使用这种系统完全代替飞机的方向舵，利用矢量转向代替方向舵转向，起到飞机平飞转向的目的，同时避免了方向舵转向时飞机发生侧滚的现象，而且转向效率比相同情况下使用方向舵提高了45%左右。

关键词：矢量控制；对地侦察与打击；方向舵；扰动阻力

无人机是一种由编码程序代替人工控制或者由无线电遥控来控制飞行的飞行器。上个世纪30年代最早出现，但是由于受到科技水平、制造水平、控制系统、材料等一系列的限制性因素的限制作用，无人机并没有被广泛的研究和应用。但随着科学技术不断地进步与革新，包括材料、集成电路、空气动力学、工程力学以及制造业的发展，无人机因其独特的优势也被逐渐的重视起来。而在现阶段，人工智能和无人机的协作是现代无人机的发展方向和趋势，无人机以其制造运营成本低、人员伤亡低、工作效率高等诸多优势也被越来越多的应用于国防、勘探、救援、娱乐等领域中，而且无人驾驶技术也越来越多的被各个国家重视。随着无人机的发展，也出现了很多可以革新或者改进的工艺以及理念。以固定翼飞机为例，飞过固定翼的飞手普遍有一种感觉，就是很多的固定翼飞机的方向舵舵效不明显，即想要利用方向舵转向往往需要很长时间和较大的空域，很不灵活，然而我们又不能一味的加大方向舵的舵面或者行程量，那样会使整个飞机的比例很不协调。本文就提出了一种由矢量电机的控制系统代替传统牵拉式电机的理念，同时取消方向舵，旨在解决传统固定翼无人机使用方向舵在水平方向上的转向不灵敏问题。

一、矢量控制系统设计原理

矢量控制系统是将飞机方向舵取消，通过一个矢量电机座将电机和舵机连接起来安装在机身上，再利用舵机的转动来控制电机的左右转动，从而改变电机提供的拉力方向（即拉力线）或推力方向，通过拉力线或者推力线方向的改变，进而控制飞机的左右转向。取消方向舵舵面，然后将舵面和垂尾固定在一起形成新的垂直尾翼保持方向安定。本设计不仅仅适用于前拉式飞机，同样适用于尾推式飞机。

二、固定翼无人机矢量控制系统制作工艺

如下图所展示，本设计的结构比较简单，制作步骤简洁。

选取的原料有：三轴飞行器尾电机座、舵机、电机、层板。

将舵机配以圆形舵角，固定在层板方盒上，将三轴尾电机座一端安装在舵角上，另一端安装在电机尾部，在舵机控制舵角转动时，通过电机座的传导作用，会使电机的方向发生变化，此时电机的拉力线发生变化导致飞机转向。据飞机性能、舵机质量、设计要求，合理选择舵机类型以及转动行程量。矢量控制系统对舵机性能要求较高，建议选大扭矩金属数字舵机，普通塑料舵机无法提供很大的扭力，同时齿轮啮合不严密。并且飞机设计时应考虑合理的机头长度以满足电机转向的安全距离，防止同时可适量缩短飞机尾翼到重心的距离、缩小垂尾受力面积。

三、矢量控制飞机的优势

众所周知，现在市面上的飞机多以固定翼和多旋翼为主。按照現有的设计思路，矢量控制更多的被应用于多旋翼飞机上，以此来降低电机数量、减轻飞机质量，可以实现垂直起降、定点悬停的要求，具有良好的低速机动性能，并且能很好地在狭小空间内完成精准作业。但是在固定翼飞机中并没有引入过矢量控制，那么将矢量控制系统引入到固定翼飞机中，尤其是引入到动力系统中，将带来生么样的变化呢，本文将从如下几点阐述矢量控制系统在固定翼飞机中的优势。

矢量控制飞机不仅仅具有传统固定翼无人机的高飞行速度、高效率、航程远的优势，还有以下优势：

（1）与传统飞机相比，矢量控制系统转向与方向舵相比拥有更高效的转向效率与能力。传统的飞机在利用方向舵进行转向时，飞机的转向角速度整体一致，但是内外两侧的机翼前进的线速度不同，导致两侧机翼产生的升力不同，由于不平衡的升力，飞机整体会向转向的方向发生横滚，这与预期的目的不符，同时用这种方式进行转向时需要很大的空域和飞行时间，使得转向效果不理想，此时若反打副翼可以减少甚至抵消侧滚，保持飞机姿态，但是这时的飞机就不会转向，而发生特技飞行中的侧飞。利用本设计的矢量控制系统通过改变飞机电机的拉力线进行转向，原理和使用方向舵不同，使用本设计的转向原理是将飞机去前进的拉力方向改变，拉力的一部分分力使飞机的前进方向改变，利用矢量控制系统转向和利用方向舵转弯类似也会出现侧滚的现象，但是此时若利用副翼抵消侧滚的效果，飞机仍有向侧方向的分力，不会和使用方向舵转向一样发生侧飞现象，可以实现水平姿态的快速转向，在进行了大量的实验之后，得出使用矢量控制系统转向比方向舵转向时的效率提升了大概45%，这对于对地侦察项目的飞行是极其有利的。

（2）矢量控制系统代替方向舵，可以减少甚至取消由于方向舵面与垂尾之间缝隙产生的寄生阻力。在方向舵和垂直尾翼之间的具有旋转缝隙，由于这个旋转缝隙的存在，飞机在飞行过程中，气流经过这个旋转缝隙时，由于缝隙的扰动作用，会在这个缝隙中产生涡流，同时产生寄生阻力（夜叫干扰阻力），由于矢量控制系统的引入，方向舵被取代，方向舵和垂尾组成一个整体，形成新的垂直尾翼，就可以抵消掉由于缝隙处的气流分离产生的涡流导致的干扰阻力，增加飞机的整体性能。

（3）矢量控制系统代替方向舵转向，会减少飞机的转向时的时间，便于完成任务，减少任务用时。由于矢量控制系统通过改变电机拉力线可以直接控制拉力方向，再通过操纵员的飞行经验或者飞控的帮助下向反方向反打副翼，使飞机在水平姿态下转向，在对地侦查项目中，更加便于观察地面目标，同时减少转向造成的时间浪费，极大地降低了飞行难度和比赛难度。

（4）矢量控制系统与双发动机差速转向无人机相比优势。矢量控制系统与双发动机利用两个电机差速实现转向的方法不同，前者直接改变拉力线（或推力线）的方向，令无人机向拉力线改变的方向运动。使用矢量控制系统的飞机与双发动机差速无人机相比质量更轻，这对于模型飞机来说是非常有利的，质量轻意味着可以节省电池的消耗，同时搭载更重的荷载物；同时矢量固定翼无人机与后者相比其结构更加简单，方便制作。

三、发展前景

本设计的发展前景是非常可观的，本设计提出的是将电机在水平方向上进行转动，以此代替方向舵控制飞机的转向，在操纵员的飞行经验或者飞控的帮助下，实现平飞状态下的转向，本设计现还处于初级阶段，接下来的时间，我们还会去完善这个设计，相信技术成熟后，它可以极大地降低对地侦察与打击项目的技术难度。

若将两个可以上下转动的矢量电机均匀置于机翼两侧的重心线上，相信其可一次按成可垂直起降的固定翼无人机。将会是可以垂直起降、定点悬停、低速稳定飞行的旋翼无人机和具有高效、高速飞行等特点的固定翼无人机的完美融合体。而且他的起飞不需要跑道，所以可以被部署到城市街道、山地丘陵等情况复杂的地域。高速巡航的能力使可这种飞机在相同的电池容量或者燃料的情况下执行地域范围更广的任务，这对于动力资源有限的无人机来说至关重要。[1]

参考文献：

[1]张金双.一种可垂直起降固定翼无人机分段控制策略研究.沈阳航空航天大学控制工程系.

基金项目：大学生创新创业训练计划项目（项目编号：2018114）

作者简介：郑建乐（1997-），河北邢台人，就读于河北农业大学国土资源学院，自然地理与资源环境专业。