袁豪放，童燕，吳智名，徐飛

西安聯(lián)飛智能裝備研究院有限責(zé)任公司

本文基于某型直升機(jī)無人化改裝的項(xiàng)目實(shí)踐，梳理總結(jié)直升機(jī)無人化改裝的技術(shù)難點(diǎn)，討論在直升機(jī)總體改裝過程中涉及的重要改裝設(shè)計(jì)工作，并對(duì)比無人化改裝的直升機(jī)地速保持飛行控制仿真結(jié)果和實(shí)際飛行測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證改裝方案的合理性與正確性，對(duì)中大型直升機(jī)無人化改裝具有一定的參考價(jià)值和借鑒意義。

近年來，無人直升機(jī)因其具有垂直起降、懸停、任務(wù)載荷重量大、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等諸多顯著優(yōu)點(diǎn)，在國際范圍內(nèi)越來越受到廣泛關(guān)注。

對(duì)于最大起飛重量大于500kg的中大型無人直升機(jī)研發(fā)的技術(shù)途徑，國外過去20年的經(jīng)驗(yàn)表明，采用成熟的直升機(jī)現(xiàn)貨進(jìn)行無人化改裝是快速和有效的手段，可以有效解決無人直升機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)的問題，還可以縮短研制周期、降低研制風(fēng)險(xiǎn)。

直升機(jī)無人化改裝難點(diǎn)

雖然采用成熟的直升機(jī)現(xiàn)貨進(jìn)行無人化改裝是無人直升機(jī)研發(fā)的一條捷徑，但在實(shí)際改裝過程中仍存在許多技術(shù)難點(diǎn)。

原型機(jī)機(jī)載功能實(shí)現(xiàn)方式分析

由于原型機(jī)的控制是由駕駛員直接操作實(shí)現(xiàn)，因此首先需要解決無人直升機(jī)如何通過電控方式實(shí)現(xiàn)相同功能的問題。改裝時(shí)需要根據(jù)原型機(jī)的相關(guān)資料以及直升機(jī)實(shí)物，對(duì)有人駕駛模式的機(jī)載系統(tǒng)功能、接口定義進(jìn)行全面分析。

高可靠性機(jī)載系統(tǒng)研制

相比于小型直升機(jī)，中大型直升機(jī)具有更高的價(jià)值，并通常掛載昂貴的任務(wù)載荷設(shè)備，所以在進(jìn)行無人化改裝時(shí)，要求機(jī)載系統(tǒng)具有極高的可靠性。

無人直升機(jī)機(jī)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，為防止某些關(guān)鍵系統(tǒng)故障導(dǎo)致核心功能的喪失，需要對(duì)這些關(guān)鍵系統(tǒng)進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，以提高系統(tǒng)的可靠性，并通過非相似設(shè)計(jì)避免共模故障引起災(zāi)難性事故。

系統(tǒng)辨識(shí)和建模技術(shù)

直升機(jī)飛行動(dòng)力學(xué)建模是無人直升機(jī)飛控系統(tǒng)研制的基礎(chǔ)。由于直升機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性的控制對(duì)象，精確的理論運(yùn)動(dòng)模型參數(shù)難以確定，通常采用系統(tǒng)辨識(shí)的方法獲得直升機(jī)飛行動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)。

目前系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)可分為頻域和時(shí)域兩種，工程中一般采用頻域的方法獲得動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)，然后采用時(shí)域仿真對(duì)辨識(shí)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

頻域辨識(shí)時(shí)首先根據(jù)原型機(jī)氣動(dòng)參數(shù)確定一個(gè)初始的直升機(jī)動(dòng)力學(xué)模型，然后控制直升機(jī)進(jìn)行一系列規(guī)定動(dòng)作對(duì)直升機(jī)進(jìn)行激勵(lì)，最后將激勵(lì)所產(chǎn)生的響應(yīng)數(shù)據(jù)和初始動(dòng)力學(xué)模型輸入到直升機(jī)系統(tǒng)辨識(shí)算法，獲得直升機(jī)動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)。

直升機(jī)振動(dòng)的測(cè)量和規(guī)避

直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)頻率低、振幅大，高振動(dòng)水平將降低設(shè)備的工作性能，甚至導(dǎo)致設(shè)備非正常工作，例如低頻振動(dòng)與飛控系統(tǒng)的控制頻帶接近，容易造成飛控系統(tǒng)發(fā)散，而大振幅振動(dòng)容易使導(dǎo)航系統(tǒng)失效，導(dǎo)致無人直升機(jī)失去姿態(tài)、位置信號(hào)，造成災(zāi)難性事故。

因此，必須采取有效的振動(dòng)控制措施把設(shè)備振動(dòng)水平控制在合適的范圍，一般改裝時(shí)需要對(duì)直升機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械減震和軟件濾波，最大程度地減弱振動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。

無人直升機(jī)總體改裝

無人化改裝的原型機(jī)是一架最大起飛重量為700kg、3槳葉、2座的直升機(jī)，旋翼直徑7.2m，由一臺(tái)最大功率106.7kW的“萊康明”O(jiān)-360（Lycoming O-360）活塞發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。

在原型機(jī)上，駕駛員根據(jù)對(duì)周圍環(huán)境和飛行姿態(tài)的觀察和判斷，通過操縱桿和各種開關(guān)實(shí)現(xiàn)各機(jī)載系統(tǒng)和直升機(jī)運(yùn)動(dòng)的協(xié)同控制，但無人化改裝的過程中，這些動(dòng)作將全部由各種傳感器、計(jì)算機(jī)和作動(dòng)器所替代。

根據(jù)無人直升機(jī)的功能需求，對(duì)原型機(jī)的供電系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、原型機(jī)重心、大氣系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈路、任務(wù)載荷等結(jié)構(gòu)和設(shè)備進(jìn)行重新設(shè)計(jì)或改裝。

機(jī)載設(shè)備設(shè)計(jì)和加裝

為使無人直升機(jī)具備遙控控制、自動(dòng)控制、導(dǎo)航定位和空地通信功能，拆除了原型機(jī)駕駛艙內(nèi)的座椅、儀表盤、安全帶和操縱桿系，從而減輕無人直升機(jī)空機(jī)重量，提高載重能力，并加裝飛控系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)和數(shù)據(jù)鏈等機(jī)載設(shè)備。各機(jī)載設(shè)備安裝位置如圖1所示。

圖1 機(jī)載設(shè)備安裝示意圖。

為提高無人直升機(jī)的安全性，關(guān)鍵機(jī)載設(shè)備如組合導(dǎo)航、飛控計(jì)算機(jī)、作動(dòng)器等均采用非相似多余度設(shè)計(jì)，保證這些系統(tǒng)不會(huì)存在單點(diǎn)故障風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)無人直升機(jī)不會(huì)因?yàn)楣材９收隙鴨适эw行控制功能。

供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和改裝

如果說發(fā)動(dòng)機(jī)是無人機(jī)的心臟，那么電源系統(tǒng)就是無人機(jī)的血液，電源系統(tǒng)的可靠性對(duì)無人機(jī)至關(guān)重要。

在原型機(jī)的改裝過程中，機(jī)載設(shè)備的總電功率增加較多，因此原配的發(fā)電機(jī)輸出功率已不能滿足要求。同時(shí)考慮到無人直升機(jī)的強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境和安全性要求，設(shè)計(jì)了冗余的供電系統(tǒng)架構(gòu)，保證在發(fā)動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)故障時(shí)，飛控和導(dǎo)航系統(tǒng)仍然能夠控制作動(dòng)器使無人直升機(jī)通過旋翼自轉(zhuǎn)下滑軟著陸，從而最大限度降低損失。改裝后的供電系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 供電系統(tǒng)改裝結(jié)構(gòu)示意。

重心位置分配

重心對(duì)直升機(jī)的穩(wěn)定和安全飛行至關(guān)重要。由于改裝需要拆除原型機(jī)自帶的座椅、儀表、駕駛桿系等設(shè)備，安裝很多機(jī)載設(shè)備，而且無駕駛員和乘客也會(huì)影響直升機(jī)原有的重心，因此在直升機(jī)無人化改裝時(shí)直升機(jī)重心改變很大。

通過量化計(jì)算的方式對(duì)各個(gè)拆除和加裝的部件進(jìn)行分析，并通過實(shí)際測(cè)量確定改裝后的重心位置，保證重心位置在總體設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)。

改裝前后平臺(tái)重心計(jì)算結(jié)果如圖3所示，其中藍(lán)色框?yàn)樽畲笾匦睦碚撝捣秶?，紫色線為原型機(jī)在搭載駕駛員和乘客的情況下，隨著燃油余量變化時(shí)的重心范圍，紅色線為改裝后無人直升機(jī)隨著燃油余量變化時(shí)的重心范圍。由此看出，直升機(jī)改裝后的重心較改裝前向前移動(dòng)了60～70mm，但仍然在最大重心理論值范圍內(nèi)，可以滿足總體要求。

圖3 改裝前后平臺(tái)重心范圍對(duì)比。

飛行控制算法仿真與驗(yàn)證

使用頻域辨識(shí)的方法獲得原型機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型，然后在控制算法架構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)仿真調(diào)試的基礎(chǔ)上，在鐵鳥臺(tái)架上對(duì)機(jī)載設(shè)備軟硬件進(jìn)行綜合測(cè)試，最后在實(shí)際飛行測(cè)試前期通過安裝防滾架和系留繩，并逐步放松軟件指令限制等方式，對(duì)飛行控制算法進(jìn)行飛行驗(yàn)證。

以地速保持為例，外部環(huán)境為無風(fēng)狀態(tài)，無人直升機(jī)初始在懸停狀態(tài)，隨后切換到6m/s地速保持模態(tài)。在實(shí)際飛行測(cè)試過程中，無人直升機(jī)按地面站發(fā)出的地速指令進(jìn)入地速保持模式，通過遙測(cè)數(shù)據(jù)記錄實(shí)時(shí)地速數(shù)據(jù)。仿真結(jié)果和實(shí)際飛行測(cè)試效果對(duì)比見圖4。

從圖4對(duì)比結(jié)果看出，仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，地速保持較平穩(wěn)，但從控制效果來看，無人直升機(jī)的響應(yīng)速度偏慢，原因是為了保證該機(jī)的安全，無人直升機(jī)控制律在調(diào)試階段對(duì)控制頻帶限制得比較嚴(yán)格。當(dāng)無人直升機(jī)測(cè)試結(jié)果足夠穩(wěn)定后，可以進(jìn)一步放松控制頻帶和指令的限制，提高無人直升機(jī)的響應(yīng)速度和性能。

圖4 地速保持功能仿真與飛行測(cè)試結(jié)果。

通過對(duì)直升機(jī)的機(jī)載設(shè)備、供電系統(tǒng)、重心分配和控制算法等進(jìn)行改裝設(shè)計(jì)，完成了無人化改裝工作，并通過桌面仿真、鐵鳥試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證了改裝方案的合理性和正確性，對(duì)中大型直升機(jī)無人化改裝具有一定參考價(jià)值和借鑒意義。