航空智能作动系统研究

邓兴民 曹圣兵 张 利 黄 琳

（庆安集团有限公司，西安 710077）

作动系统能够帮助飞行员操纵飞机的起降、巡航以及改变飞行姿态等操作，执行装投货物、发射武器等各种飞行任务，具有不可替代的作用。在技术不断跃升的推动下，作动系统发展经历了纯机械式、液压助力式、电传驱动式等阶段。随着人工智能（Artificial Intelligence，AI）发展日趋成熟，智能作动已经成为航空技术研究者积极探索与实践的一个领域。世界各国的航空机载系统领跑者如MOOG、HONEYWELL等都推出了功能和物理形式各异的智能作动器，对于智能作动系统的研究具有一定的借鉴意义。

1 智能作动的概念

航空作动系统向着数字化、信息化、多电化及智能化等方向发展，其中智能化主要体现在材料的智能化、控制及传感的智能化。智能作动并不是“智能”与“作动”的简单叠加，而是集成智能材料与结构、AI、飞行控制、智能机械等理论基础高度融合的结果。智能作动技术是将智能材料、新型结构、高效驱动器、先进传感器与基体结构集成的一种新型作动技术，具备一定高度的自规划、自组织、自适应等能力。内部的感知系统、分析决策系统与执行机构可以根据任务需求和环境进行一定自主改变，并对变化的外界环境做出即时响应[1]。

航空智能作动系统通过智能技术的赋能，如智能材料与结构、智能控制等，使系统更加完善。同时，通过学习和样本训练，持续提升系统功能，从而适应来自本体、环境和目标的不确定性，完成复杂的任务。IEEE 1451 标准在集成系统健康管理（Integrated System Health Management，ISHM）架构基础上，借鉴智能转换器概念对智能传感器、智能作动器以及智能控制器进行相似定义。智能作动器包括智能转换接口模块（Smart Transducer Interface Module，STIM）、网络应用处理器（Network Capable Application Processor，NCAP）、存储模块、通信模块、功率模块和作动器交互接口等，具备自补偿、自校准、健康诊断、自测试和交互通信的能力[2]，如图1 所示。

图1 智能作动器概念框图

2 研究现状

美国航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）、美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）、美国空军、欧盟等组织投入大量财力与人力开展了智能作动技术研究，如智能飞行控制、智能发动机、智能变形机翼及智能旋翼等，并取得一定突破。2009 年，在DARPA 的智能材料及结构演示计划支持下，波音公司采用智能材料驱动转子技术（Smart Material Actuated Rotor Technology，SMART）在MD-900 直升机的旋翼中嵌入压电作动器。该作动器可以随飞行状态平滑地改变叶片外形，降低直升机噪声和振动，从而提升其性能。测试结果显示，噪声水平可以控制在6 dB[3]。2014 年，在航空研究事务部（Aeronautics Research Mission Directorate，ARMD）计划支持下，NASA 联合波音公司将基于控制功率优化的AI 技术应用在无尾飞行器X-48B 中并进行性能测试验证[4]。该飞行器拥有大量操纵面，控制面变形大，需要高驱动力和大力矩的作动机构。2015 年，NASA 格兰研究中心的智能发动机控制研究规划旨在推动下一代智能发动机技术，包括分布式作动的智能节点（智能作动、智能传感、智能数据处理等）研究和在500 ℃环境下使用的高温传感器的开发[5]。

智能作动器可以分为基于智能材料作动器和基于智能控制作动器，如磁致伸缩作动器、压电作动器、形状记忆合金作动器、电静液作动器、机电作动器以及其他类型智能作动器[6-7]。其中：Honeywell 公司研发的超磁致伸缩作动器是一种新型的振动控制驱动器件，主要包括壳体、大活塞、小活塞、端盖和磁致伸缩棒等，如图2 所示；QSS 公司研发的高温形状记忆合金（Shape Memory Alloys，SMA）作动器主要用于高压涡轮发动机，如图3 所示；美国MOOG 公司研制的集成智能作动器已经应用于HyQ 机器人，如图4 所示。集成智能作动器包括伺服阀、智能控制单元、通信和大范围传感器，具有质量轻、尺寸小、高性能控制及极限温度环境下运行等特点。

图2 磁致伸缩作动器

图3 高温SMA 作动器

图4 集成智能作动器

3 智能作动器典型架构

当前的智能作动器更像是一些高度自动化技术的集成，而真正的智能作动应像人类一样可以自主学习，通过集成信息处理系统优化自身状态，具备自校准、自诊断、自修复等特点，最终实现更低的维护成本、更高的安全性和可靠性。智能作动器典型架构包括实际智能作动器、仿真系统模型及智能作动健康管理3 部分，如图5 所示。实际智能作动器包括执行机构、控制、先进传感反馈及其所构成的运行系统。仿真系统模型是真实作动器在软件/虚拟中的表达形式，包括执行机构模型、控制器模型、虚拟传感器模型以及基于模型的系统运行等，通过模型的虚拟运行可以在更快的时间尺度上进行未来行为的预测。智能作动健康管理体现了系统的智能化水平，通过所获取的信息进行智能化处理，融合整个系统，实现故障监测、隔离、故障诊断、预测以及健康管理等功能。

图5 智能作动器典型架构

4 航空智能作动层次架构与支撑体系

4.1 层次架构

航空智能作动系统的架构可以分为4 个层次：基于智能材料和通用作动的混合作动器；依托高性能电执行机构、智能控制、智能传感的集成智能作动器；通过高速实时数据总线、分层数据连接异构的智能节点形成分布式（多）智能作动系统；实施以深度学习为代表的智能算法作动系统，实现复杂环境下的智能作动控制、智能协同等功能。

4.1.1 混合作动器

通过应用智能材料的电机、液压泵、伺服阀、传动机构、作动筒/滚珠丝杠、传感器、控制器、接口等核心部件组成的智能作动器，可以根据不同的应用需求和任务需求，利用部件模块的组装来组建作动系统。

4.1.2 集成智能作动器

系统主要通过结构-传感-控制-作动高度一体化设计，高度集成高性能电执行机构、智能控制、智能传感结构/功能。其分类包括集成化的电静液作动器（Electro Hydraulic Actuator，EHA）、机电作动器（Electro Mechanical Actuator，EMA）、交互式应用处理器（Interactive Application Processor，IAP），集成化的基于智能材料的EHA、EMA、直接驱动阀（Direct Drive Valve，DDV）式作动器、直接驱动作动器（Direct Drive Actuator，DDA）以及集成化的混合型作动器。

4.1.3 分布式（多）智能作动系统

通过高速实时数据总线、分层数据连线，以智能作动器、智能传感等作为智能节点基础，构建分布式（多）智能作动系统。

4.1.4 智能算法作动系统

面对高压、高电磁干扰、高温度变化等复杂干扰环境，存在系统模型不确定、信息不完整、规则不确定、时间上强约束等特点。智能控制系统具备深度学习及一定进化能力的功能，实现自主改变并对变化的外界环境做出即时响应。

4.2 支撑体系

首先，从能力层面出发分析支撑能力层面的理论，实现信息理论、知识理论及智能行为理论等方面的突破和发展，为AI 的出现和应用奠定了理论基础。其次，描述理论在实践中的应用，将理论知识转化为实用技术。需注意：技术层面的描述是在查阅多种资料后进行归纳整理的，并不完整，仅考虑所要论述的智能作动方面的可能技术应用深度；实践层面的技术并不限于文中提到的技术，随着技术的飞速发展，将有越来越多的技术手段应用于理论层面的实践。最后，根据智能作动的工程实际初步分解技术，只涉及研究智能作动系统需要发展的技术层面，并不涉及作动系统已经应用的常规技术。例如，信息的获取最大可能是通过通信网络传递，但系统并不需要研究通信网络技术。航空智能作动支撑体系，如图6 所示。图6 中列出的技术分解项可能需要研究具体的智能作动系统，才能得到进一步的拓展。

图6 航空智能作动支撑体系

5 结语

以多电化、信息化、数字化、智能化需求为背景，在跨代航空装备和空天装备快速发展牵引下，飞机机电系统技术呈现出系统构架向综合化发展、能源优化利用向多电/全电化发展、系统控制向智能化发展、热/能量综合管理向更高效发展的趋势。航空智能作动技术的飞速发展，可能影响或颠覆整个行业的产品和技术体系。综合当前发展态势和行业影响分析，可以预判航空智能作动系统将经历多个发展阶段。作动系统的智能化水平与AI 一致，将主要经历初级、中级到高级智能的发展阶段。预计到2030 年，航空智能作动技术的发展基本可以实现促进现有作动系统智能化提升。通过智能控制、智能故障诊断等技术的赋能，将改进现有作动器产品，大幅提升产品的安全性和可靠性。未来的智能作动系统将会呈现跃升式发展，新的核心技术架构将建立，全新产品体系趋于成熟，结构更加简单轻便，自主能力显著增强，对复杂环境的适应性大幅提高，从而大量应用于飞行器系统。