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1、无人机飞行控制技术,方舟 航空学院10/12/2008,无人机的军事需求,无人机比有人飞机更具优势的特性包括：在克服枯燥方面，机器比人具有更长时间的灵敏性；对于应付放射性侵害和危险方面，免使执行任务人员受到核辐射伤害；在侦察方面，采用无人机的政治和人员风险更低，任务的成功几率更高。更低的负面风险和更高的任务成功率是继续扩展无人机系统的两大推动力。美国国防部,无人机在美国的发展现状,美国国防部将无人机系统分类为大型无人机系统；概念探索无人机系统(用于开发新的技术或作战概念)；特种作战无人机系统(只装备特种作战司令部)；小型无人机系统(可由l2人操作的迷你型或微型无人机系统)无人飞艇(包括浮空器和
2、软式飞艇)。,到2004年月，美国已经装备20多种无人机，总飞行时间已经超过10万个飞行小时。执行的任务不仅仅是侦察，还涉及到对地攻击、部队防护、以及信号收集等。在成本上，从几千美元到几千万美元不等在重量上，既有重量不足1磅的微型飞行器，也有重量超过4万磅的大型飞机。目前每年无人机系统的市场份额为27亿美元。,大型无人机系统：捕食者,“火线哨兵”（Fire Sscout）,已交付5架己计划采购192架,武装到班一级的迷你型：“指针”,自1989年以来，海军陆战队、陆军和空军已采购了大约100架以电池为动力的、手持式发射的FQM-151“指针”无人机。这些飞机曾在海湾战争中使用，最近又在“持久自
3、由”和“伊拉克自由”作战行动中使用。,未来的空战主导者：无人战斗武装旋翼机,无人战斗武装旋翼机是国防高级研究计划局与陆军的联合项目，其目标是演示一种可作为未来部队构成、能有效且经济地执行武装侦察和攻击任务的智能垂直起降无人机的技术可行性、作战价值和军事效用。该项目己开始开发，设计，整合和演示关键与赋能技术。例如：自主与协同作战、低高度自主飞行、生存力及目标瞄准武器投射。2010年之前将转为陆军的采办项目。,无人机发展的趋势,美国认为，新一代的无人机系统应该具备续航时间长、拥有隐身能力、可进行空中预警以及作战能力。对导航、制导及控制存在以下需求：要求飞控系统具有在高速、高机动性条件下的控制能力。
4、要求无人机的“看见”和自主躲避其他飞机的能力，提供与有人系统相当的安全水平。改进无人机的抗恶劣天气的能力，以提高其任务可用度和任务效能。未来将成为空战的主导力量；今后十年的年均市场份额将高达83亿美元。,对导航、制导及控制提出的挑战,上表是美国对无人机自主水平提出的10级标准，这是对控制提出的极大挑战！美国现役的无人直升机“火力侦察兵”的自主水平为3级：即具备容错控制和自适应控制的能力。,无人机发展趋势对飞控提出的新挑战,无人机的发展趋势：高空/高速/长航时（30000m/0.7M/30h）视距内无线电操纵超视距遥控全自主导航飞行对飞控提出的新挑战：精确制导与控制智能化：路径在线规划、编队协同
5、等系统低成本、低功耗与小体积的同时保证高可靠性,飞控系统构成,在现代无人机系统中，整个飞控系统成本构成整机成本的70%以上！,机上飞行控制系统,从功能上可以分为三个子系统：导航子系统：给出位置/速度/姿态信息制导子系统：处理导航/惯性参考轨迹数据，给出航点设定信息控制子系统：运算产生舵面信号，调整无人机的姿态达到设定值 上述三个子系统在逻辑上构成闭环。,无人机飞控关键技术,先进控制技术传感器技术通信技术,美国“捕食者”无人机,我国“长空一号”高速无人机,无人机控制技术,经典飞控控制律设计方案：在飞行包线内的几个特定状态线性化飞行动态模型，针对每一飞行状态设计线性控制器，然后利用差值策略将不同的
6、工作点的设计综合起来。优点：简单实用、有成功应用的先例缺点：理论上无法保证全局的稳定性、鲁棒性和性能最优。,传感器技术,传感器系统的成本占到飞控系统成本的70%以上。功能：通过将各个传感器信息有效地获取、处理和融合，得到对无人机位置/速度/姿态等飞行状态信息的实时估计，使反馈闭环的构成成为可能理论性问题：多传感器的信息融合，是美国确定的无人机支撑技术之一。,传感器的组合,传感器组合要考虑到信息的完备性、冗余性。通常的组合方案：INS+GPS+大气信息系统。在全球鹰/捕食者等机型上成功使用。INS(惯性导航系统)：陀螺仪+加表+磁航向表，得到姿态、加速度、角速率等信息。GPS：得到位置、高程、速
7、度等信息大气信息系统：静压计，空速表，得到气压高度和对空速度无线电高度表：飞行对地高度,传感器选型原则,器件可靠，满足飞行环境要求性能良好，满足飞行任务要求高集成度，降低后期开发难度体积小、重量轻低成本、低功耗,通信技术,高带宽、高可靠的数据链系统是从地面对无人机实行有效监控的关键技术，使得对无人机实施超视距遥控和干预成为可能。工程问题：远距离通信的中继,典型的无人机飞控系统方案,设计原则：简单、实用、可靠及低成本便于升级和扩展符合总体要求具有一定的先进性,传感器系统,包含如下子系统：飞行信息系统，集成有IMU、空速计、气压计、电子罗盘卫星定位系统：北斗无源机+GPS(辅助)无线电高度仪设计目
8、标：各传感器信息融合后估计性能应能达到：504000m范围内较精确的高度估计；00.677M范围内的速度估计；足够的估计带宽。具体的性能指标应由总体设计目标给出。,主控计算机系统,对外围设备不少于8串口的IO支持主频不低于300Mhz研发阶段要考虑本地数据存储（类似于黑匣子）机载实时操作系统(RTOS)支持-4085宽温,控制律综合,在不要求大机动飞行的前提下，控制律以完成定常飞行为主要目标以经典的设计方法(案)为首选弹射阶段的控制介入问题控制周期的选择要综合控制带宽和舵机的动态特性来确定,执行机构(舵机),在满足定常飞行所需的操纵力矩和响应速度的前提下，尽可能选择重量轻，耗能小的型号,电源系统,考虑系统重量、体积、工作温度的限制，系统拟采用锂离子电池供电电池组额定电压为25.9V，容量为17.6AH，足够系统工作1小时以上,数据链系统,试验飞行阶段采用900MHz的无线数传链路,
