基于人机闭环仿真的无人直升机操作响应类型研究

李星作，金 鑫，薛 晋，高 阳

（1.中国人民解放军61902 部队，四川 宜宾 644002；2.西安飞行自动控制研究所，西安 710000）

无人直升机逐渐在军事、民用等诸多领域起到越发重要的作用[1-2]。为保证飞行安全，操作人员需要实时关注飞行状态与周边环境，实现无人直升机的精确控制。尤其是在低空条件下，无人直升机在进行陆基自动起降、船基自动起降的过程中，会受到低空突变风、舰船尾流、低高度建筑物、地面效应等多种不确定因素的干扰，使得无人直升机在控制过程中，操作手需要关注诸多影响因素，如不能对意外情况有效及时处理，便会出现严重的事故。

因此面向无人直升机操纵过程，需要完成人-机闭环系统建模，并考虑任务科目的前提下，通过仿真的手段提前预知飞行过程的风险点，确保在真实飞行过程中操作手的操纵负荷较低，能够保证无人直升机飞行安全，避免飞行事故[3]。

本文面向无人直升机操作手地面操纵控制问题，考虑无人直升机操纵多维因素，同时在无人直升机飞控系统的设计与验证中充分考虑操作手的操纵特点，建立闭环模型，作为仿真对象；同时，在此基础上模拟有人直升机控制策略，研究以多响应类型为核心的模型跟随控制架构作为主要控制算法。该算法的实现可以在不良目视环境中大幅减少操作手反复操纵的过程，能够更加柔和与精确地控制无人直升机姿态、速度及位置响应[4]。

1 无人直升机动力学模型

无人直升机数学模型采用九阶线性状态空间模型[5]，具体表征如下

式中：X 为状态量；A 为气动导数矩阵；C 为操纵导数矩阵；B 为控制输入矩阵；U 为控制输入向量。

式中，φ、θ、Ψ 分别代表无人直升机的滚转角，俯仰角和航向角；u、ν……分别为机体坐标系下的前、侧和天向速度；p、q、r 分别代表机体坐标系下的四轴角速度。

控制输入U 可表征为U=Uc+Ur，其中Uc表示为飞控系统的控制量，分别为纵向周期变距角B1Cc，横向周期变距角A1Cc，总距桨距角CTCc，尾桨桨距角DTCc，Ur表示为外部操纵补偿控制量，代表飞行员操纵的控制量，从数学上也表示为向量形式，叠加在无人直升机模型的控制量上。

2 低空风扰模型

一般旋翼飞行器在近地直升机近地飞行时，由于地面对旋翼的下洗气流会起到抑制作用，使桨盘处的诱导速度减小，意味着直升机产生给定拉力所需功率减小，即在无人直升机近地飞行时，原有的给定功率会产生更大的旋翼拉力。该类现象被称为地面效应。

地效是将旋翼诱导速度减小k 倍，在拉力不变的条件下，需用诱导功率在有地效与无地效时的值之比应该是k，也可以说在地面效应与无地面效应相比时，当功率不变，两者的拉力之比为k。

结合已有材料，根据旋翼高度，可计算出影响因子k，旋翼拉力乘以k，可估算该高度时地面效益对旋翼拉力的影响。当飞行高度离地高于旋翼半径的2 倍时，地效对直升机的影响几乎可忽略不计。

3 人-机-环境闭环模型构造

3.1 操作手模型构建

操作手操纵无人直升机时，存在反应延时、操纵延时和无人直升机链路传输误差等问题，因此本文中采用了一阶、二阶线性环节和延迟环节的组合来表达操作手对无人直升机的操纵。同时考虑不同操作手的差异，加入非线性、时变因素用以表征操作手的操纵差异，因此可在上述线性传递函数基础上加入随机噪声，如图1 所示建立拟线性控制模型来表征无人直升机操作手的模型[6]。

图1 操作手拟线性模型结构图

用传递函数形式表示操作手线性模型如式（3）所示：

式中，τ 为操作手完成目视后进行操纵的反应时间；T1为操作手进行操纵动作后飞行控制系统完成输出的滞后时间；TN为由操纵控制机构向无人直升机平台传输操纵指令的链路时间；kp为操作手所使用的控制机构与无人直升机控制变距间的换算关系；Tl为超前时间常数。

根据飞行数据分析，可选择合适的参数τ、T1、TN、kp、Tl等值；并以n（t）表征白噪声信号。

3.2 人-机-环境闭环仿真模型的构建

面向无人直升机飞行的人-机-环境闭环仿真模型如图2 所示。通过构建虚拟的操作手模型并基于机体的飞行状态的反馈构造，从而建立人-机-环境闭环仿真模型。

图2 面向低空操纵任务的人-机-环境闭环仿真模型

4 无人直升机操纵响应类型

4.1 响应类型

当操作手需要利用直接链响应类型或角速度响应类型来得到俯仰轴和滚转轴的稳定控制状态时，须在达到期望姿态角后，快速进行必须反向操纵，以抵消原有无人直升机的运动趋势，而这种控制方式在不良目视环境下难度较大，同时在部分山区丘陵等复杂环境低空飞行时，操作手需要兼顾水平方向和垂直方向，对于操作手的技术水平及经验要求较高。为了克服该问题，有人直升机飞行操纵品质ADS-33E 中提出了在不良目视环境下要求满足更高等级的响应类型[7]。当目视条件降级为一般目视环境时，响应类型由角速度响应变化为姿态响应；当目视条件继续降级到不良目视环境，再由姿态响应类型切换到位置或速度响应类型。借鉴上述设计方案，面向无人直升机操纵也可设计相应的响应类型，将原有的桨距操纵变化为速度、位置指令操纵。为无人直升机操纵提供了更好的稳定性，降低操作手的操纵负担。

4.2 指令姿态响应类型

针对旋翼控制律进行模型跟随设计，可满足在不同飞行状态下，自适应优化无人直升机操作手控制的响应类型要求。对于俯仰和滚转轴，使用指令姿态响应类型，即直升机姿态跟随操纵杆阶跃输入指令，指令模型的数学方程为一个标准的二阶环节。航向轴使用指令角速度响应类型指令模型为一个标准的一阶环节。选择合理的二阶环节的阻尼比与自然频率以满足操纵带宽准则。参考有人直升机飞行品质及部分无人直升机试飞数据，可以得到指令模型参数，见表1。

表1 指令姿态响应类型设计参数

4.3 指令速度响应类型

与指令姿态响应类型相似，指令速度响应类型操作手控制量对应于无人直升机在机体坐标系下的速度基准指令。针对俯仰和滚转轴，使用指令速度响应类型，也可将其指令模型表征为一个标准的二阶环节。航向轴使用与上文类似的指令角速度响应类型。与上文相同，需要选择合理的二阶环节的阻尼比与自然频率以满足操纵带宽准则。可得到指令速度响应类型参数，见表2。

表2 指令速度响应类型参数

操作手的每次操纵飞行控制系统会刷新无人直升机的速度控制指令，无人直升机飞行状态会跟随该指令，当纵横向操纵杆回中后，纵横向速度指令为0，此时无人直升机应处于悬停状态。

4.4 指令位置响应类型

指令位置响应类型中操作手控制量对应于无人直升机在机体坐标系下的位置基准指令，当纵横杆回中后，无人直升机位置指令为0，此时无人直升机应处于位置保持模态。由于此操纵过程中杆指令对应于无人直升机的位置基准，与指令速度响应类型相比，位置表征为速度的积分关系，角速度变化较慢。基于此动力学关系，该操纵与前两类响应类型相比，快速性有所下降，为了弥补其快速性，此指令模型表征为一个标准的一阶环节。航向轴使用与上文类似的指令角速度响应类型。针对指令位置响应类型，需要选择时间常数提升操纵带宽，加快闭环系统的快速性，因此可得到指令位置响应类型参数，见表3。

表3 指令位置响应类型参数

指令位置响应类型在一些较为恶劣的环境中，操作手可以关注于无人直升机总距方向的控制，而在水平方向上，无人直升机可根据操作手的指令，保持较好的位置保持控制精度。然而该响应类型的反馈信号由于是无人直升机的位置信号，因此其快速性有所下降，需要在操纵中避免过分剧烈的操纵。

4.5 3 类响应类型的组合

针对无人直升机低空飞行任务场景特点，可有效结合3 类响应类型，将其应用于低空无人直升机飞行操纵中，在控制律算法设计中可通过应用限幅环节及插值表环节等方式实现对几类响应类型的转换，避免无人直升机出现较大瞬态。当地速大于7.0 m/s 时，采用指令姿态响应类型，随着地速的减小，当其小于7.0 m/s，大于3.0 m/s 时，将采用指令速度响应类型，当地速小于3.0 m/s 时，采用指令位置响应类型。通过综合3 类响应类型，实现大速度下的快速控制响应，小速度下的精确稳定控制，从而减轻无人直升机操作手的操纵负荷。

5 仿真结果

模拟3 级风扰条件，分别选用指令速度响应类型、指令位置响应类型2 种响应类型，进行具有风扰状况的人工着陆的回路仿真，仿真结果如图3 所示。

图3 风扰状况的人工着陆回路仿真图

根据仿真结果可知，采用指令位置响应类型时，无人直升机着陆过程中，落点均可满足精度要求；而采用指令速度响应类型时，个别落点难以满足精度要求，但满足要求的落点也几乎在96%以上。

根据操作手参与仿真过程的体验，当采用指令位置响应类型、指令速度响应类型时，其控制操纵杆的全过程只需要置于0 位，就可将注意力集中于无人直升机的垂直方向。

6 结论

本文通过分析与研究无人直升机操纵模型、操作手模型以及外部环境模型，综合分析研究了无人直升机操纵指令类型，并在上述基础上，构建了无人直升机人-机闭环系统模型，面向无人直升机低空着陆任务场景，完成考虑操作手操纵的全系统闭环仿真，同时，结合无人直升机自动着陆场景对比了不同响应类型下的任务效能。

上述仿真结果表明，对比于常用的无人直升机直接链响应类型，采用指令位置或指令速度响应类型，可有效提升无人直升机着陆过程中操作手的控制精度，大幅减少无人直升机操作手操纵负担，并对后续工程应用有较大的指导意义。