小型无人直升机的飞行控制系统研究

侯鸣捷 孙雪原

（陆军航空兵学院航空机务技术与指挥 北京 101116）

在直升机的整个结构中，最重要的也是最核心的部分就是小型无人直升机的飞行控制系统，直升机的其他功能需要在拥有良好的飞行的基础上才能正常运作。在设计过程中，技术人员们遇到的最常见的难题就是有关飞行控制方面的，这一问题的出现对技术人员们的设计速度会产生比较明显的影响，所以着手分析并且解决这一问题是我们目前比较首要的任务。

1 小型无人直升机飞机控制特性分析

1.1 建模过程

外界不可预测的气流会影响到小型无人直升机的正常飞行；除此之外，由于超小型无人直升机所采用的材料具有小体积、小质量且容易变形的特点，所以想要建立准确的动力学模型并不容易。想要较为繁琐的旋翼数学模型能够被准确的建立，就要求具有较强的鲁棒性和弱相关性模型要被旋翼控制系统设计出来。

1.1.1 欠驱动

欠驱动性指的是无人直升机的飞行控制系统由于其六个空间运动度的影响，具有严重的缺陷。欠驱动性在无人直升机中得以体现，这是由于旋翼转速拥有很少的的控制输入量，它不能准确完整的反映其线性变化，所以无人直升机的飞行才比较难以控制，设计飞行控制系统的过程也显得更加复杂化。通常情况下，倘若一个系统的结构比较单一，那么它可以用于研究欠驱动系统。

1.1.2 强耦合

耦合特性在小型无人直升机中也有所体现，且耦合程度较强，小型无人直升机的输出六个自由度需要被多个输入控制，且输出端自由度的变化受输入端旋翼的转速的变化的影响，比如：固定其他三个旋翼的转速，使旋翼左旋转的转速逐渐增大，飞机可能会发生翻转或者向右平移，这是因为旋翼拉力出现差值。

1.2 外界环境对其产生较大影响

小型无人直升机在空中飞行时，避免不了会受外界环境的影响，比如：风向、风力等，这些外部条件都可能会影响到直升机的正常飞行，尤其对于小体积、小质量、小速度的超小型无人直升机的影响更为严重。想要使得无人机能够不被外部条件所干扰，可以在空中保持正常、平稳的飞行状态，仅仅依靠设计自适应能力强的飞行控制这一方法并不可以做到将外部环境干扰完全阻挡，我们需要以分析飞行过程中的非线性力学特性和时变气动特性为基础，设计飞行控制系统，才能做到无人机能够不再受外部环境的影响，按照我们预先规划好的路线稳定的完成飞行。

2 小型无人直升机飞机控制系统设计

2.1 数学建模

想要准确的建立数学模型，需要寻找依据，我们只有清楚了解直升机在各种环境下的飞行状态，掌握旋翼的特性，很好的控制直升飞机。我们可以建立一个数学模型，这个模型是与直升机旋翼的控制有关的，直升机的旋翼的多种动力学特性在前文已经有所讨论，所以我们可以着手对其中存在的动力学问题进行研究分析。理论推导法和实验辨识法是我们在数学建模的过程中比较常用的两种方法，而前者由于其约束条件简单且建模速度较快的特点，已经是我们目前最经常使用的到的建模方法，这种方法主要是在现实中做实验，从实验中得到有关的数据，这里面利用了系统辨识的方法。而理论推导法指的是通过科学准确的计算，得到一个数学模型，它可以是线性，也可以是非线性的。

2.2 飞行控制方法

针对小型无人直升机的飞行有多种控制方法，例如：PID控制、神经网络控制、反步法等等。其中研究的相对深入的是PID单通道飞行控制系统，它实现起来不困难，但是它操控起来很麻烦，并且其体积较大，不容易携带，飞机螺旋桨处的性能也会受其鲁棒性和解耦性的影响。随着时代的进步，科级的发展，许多智能化的技术频频出现，PID系统中也经常见到新兴的技术。这种系统可以更好的保持飞机的平稳运行，可以做到很好的控制整个飞机，对于一些需要更精准严格的反馈控制的系统更为适合。

3 无人直升机在军事方面的应用

在军事领域，无人直升机的应用更为广泛，由于无人直升机的出现，给我们带来了很多的便利。无人直升机拥有比较强的生存能力，且便于维护、修复，在作战时它可以帮助我们去到很危险的地方探测，这可以大大降低人的死亡率，可以替代有人的直升机完成一些我们完成不了的任务。它可以被应用于战场侦察，可以检测到不同环境下各种状态的目标，增强我们的作战能力，有利于之后的战事分析。它可以被应用于中继通信，当作战区域比较偏僻、隐蔽、作战时的交流比较困难时，无人机可以帮助我们完成通信，及时准确的收到作战指挥，以免延误战情。

4 结语

随着科技的不断进步，上文提出的无人直升机存在的问题都会被逐一解决，在之后的研究中，我们可以更好的将各种功能集中到一个模块内，增强其性能。无人机在军事领域应用的十分广泛，航空产业是不可忽视的，这有利于经济的发展和科技的进步，我国也一定会继续对其进行研究、优化，制定更加详细的计划，使其作战能力增强，减少其制作成本，操作更加简单、快捷。