无人直升机关键技术和难点技术分析

无人直升机关键技术和难点技术分析无人直升机是一种机上无人驾驶的飞行器。在导航方面，无人直升机使用自适应扩展卡尔曼算法（EKF），把IMU、地磁传感器、GPS、气压高度计和地形匹配高度计等传感器的数据进行深度融合，这样在恶劣条件下，如高震动和单一传感器数据不真实等情况下，也可得到高精度高可靠性的导航数据，以此来保证控制命令的准确性。在控制方面，无人直升机多使用了自适应鲁棒控制。对风的切变、任务负载的突然变化等干扰有很强的鲁棒性，增加了飞控指令的有效性，以此来保证飞行的安全。对机械磨损、任务负载、重心等变化有很强的自适应性，保证了飞行的精度和安全。无人直升机可以进行速度控制也可以进行姿态控制，尤其姿态控制，可以有效的保证恶劣条件下的飞行安全。在电子平台方面，无人直升机使用在嵌入式领域广泛应用的的ARM硬件平台，体积小、重量轻、可靠性高，可以满足需要。无人直升机可以实现自主起飞、自主降落、自主任务飞行和地形匹配飞行等功能，完全替代驾驶员飞行使其发展方向。

当然无人直升机也具有天生的缺点。首先就是直升机的低飞行速度，气动、动力学和声学等各方面因素使常规直升机的飞行速度难以超越固定翼飞机，飞行速度低严重限制了直升机的使用和发展；二是无人直升机保护措施不如固定翼直升机，后者出现险情可开伞保护，即伞降回收：而前者一旦出现重大故障，损失基本无法换回，因为它有旋翼，无法实现伞降回收。三是由于直升机本身结构的特点，使得无人直升机的空气动力学、飞行力学问题较复杂，无人直升机操纵通道多、耦合较强，是一种稳定性差、控制难的飞行器，其操纵和飞行控制要比有人驾驶直升机和固定翼无人机更困难；此外，无人直升机一般尺寸都较小，发动机功率也不大，因此速度和升限较低（一般速度﹤300km/h，升限﹤5000m），有效载荷较小，若用于军事，容易被对方定位，且应用范围有所限制。

2无人直升机的关键技术和难点技术分析

2.1直升机平台技术

有人直升机已经有几十年的技术基础，技术比较成熟，但是动力学建模问题、飞行控制问题等都与平台设计技术密切相关，因此从无人直升机系统研究的角度来看，平台技术仍然不可低估，只有将直升机平台设计与用户用途及使用环境、飞行控制、自主起降等紧密结合，才能设计出性能优良的无人直升机系统，例如无人直升机的高抗风能力不仅需要先进的飞行控制算法，而且与平台本身的旋翼设计密切相关。

2.2飞行控制技术

飞行控制技术是无人直升机研究的重点，也是最大的难点。

无人直升机是一个多变量、非线性、强耦合、时变的高阶系统，是一个复杂的被控对象，其主要特点体现在以下几个方面：

1）对象特性差异显著。无人直升机的纵向、横向和航向运动具有强的耦合性，这些耦合主要表现在旋翼旋转产生偏航力矩，横滚机动时桨叶挥舞引起俯仰力矩，俯仰机动引起横滚力矩，前飞速度变化时尾桨拉力变化引起偏航力矩。当无人直升机悬停/小速度飞行时，纵向/横向耦合明显；而当无人直升机中/高速前飞时，纵向/高度耦合明显。这种显著的耦合特性差异使得无人直升机控制系统在全飞行包线设计时必须充分考虑悬停/小速度和前飞两种状态，同时具有良好的解耦性和鲁棒性。

2）模型阶次高且建模难度大。无人直升机模型除了刚体动力学模型外，还有旋翼动力学模型、尾桨动力学模型、水平安定面和垂直尾翼等共同构成完整的直升机对象特性，如果用数学方式表示，则无人直升机的数学模型至少可达27阶。如果再与发动机、传感器等特性综合在一起，则阶次会更高。直升机旋翼的气动载荷计算是一个复杂的问题，而且直升机具有多变量、非线性交耦和柔性结构的动力学特性，在理论上要精确建立无人直升机飞行动力学的数学模型目前尚未解决，尤其不易准确建立6自由度非线性、交耦的动力学模型。因此无人直升机的控制系统必须具有较强的鲁棒性和模型弱相关性。

3）非线性特性强。从系统角度分析，无人直升机的非线性主要存在于数学模型的非线性和执行机构的非线性上。由于旋翼动力特性的非线性效应严重，无人直升机不仅在不同飞行状态时的特性差异较大，而且即使在同一飞行状态，当施加机动操纵量时，也会激发出强非线性响应。同时，由于无人直升机通道之间的固有耦合严重，一个通道的执行机构非线性不仅影响本通道的飞行响应，还会较强地影响到其他通道的响应。所以在进行控制系统设计时，必须对无人直升机的非线性有正确的认识，并且克服闭环系统所产生的非线性。

4）飞行模态数量多。无人直升机具有多种飞行模态，且模态之间可组合的数目更多。正是由于直升机可拥有多种飞行模态，才使直升机具有在复杂飞行环境下完成特殊任务的能力。因此，飞行控制系统不仅要实现不同的飞行模态功能，而且需要提供良好的模态切换机制，使无人直升机在模态切换过程中能够保持良好的飞行品质。

5）高阶动力学特性对操纵品质的影响大。如果在设计控制系统时忽略无人直升机模型中的高阶环节，那么当控制系统设计出来之后，会发现高阶动力学特性对飞行操纵品质的影响十分严重，尤其对于宽频带的控制系统，很大地影响了系统的带宽和相位迟后指标。因此，在设计控制器时必须准确把握无人直升机的高阶环节，才能使无人直升机的飞行品质进一步得到提高。另外，无人直升机的控制系统必须将有人直升机中飞行员操纵直升机平衡、补偿、解耦等技术准确地反映到飞行控制系统设计中，并需具备与有人驾驶/遥控直升机相当的运动性和机动能力，因此无人直升机对象特性研究远比有人驾驶直升机要求高。

先进控制理论的控制性能是无可置疑的，但是目前大多数先进控制理论仍处于实验室研究阶段，与工程具体实现还存在一定的距离。如H∞控制理论是鲁棒控制中最常用的方法，其理论和算法实现上都已基本成熟，但应用H∞鲁棒控制设计出来的多为高阶控制器，很多仍无法工程实现。如要工程实现，只能降维处理，而降维后控制器的鲁棒性也必然随之下降，这样控制系统的鲁棒性就难以保证；L分析方法目前也只适用于各通道模型结构摄动形式统一的情况，与实际工程情况严重不符；鲁棒控制中很多控制方法属于线性设计方法，而所有通过线性设计方法设计出来的控制器都只能在现实的平台中进行检查和进一步验证，调整控制结构以及控制参数的过程繁琐，而且在调整的过程中，飞机的安全性和稳定性受到一定的破坏；神经网络虽然能较好解决无人直升机系统中的一些非线性和模型摄动问题，但控制器的控制效果与模型的精确性有一定的相关性；模糊控制尽管不需要精确的控制模型，却对环境的自适应能力较差等。

此外，现代无人直升机的使用要求越来越高，所执行的任务也越来越复杂，存在的一个突出问题就是飞行的自主程度。要提高无人直升机的自主性，人工智能控制技术是一个有效的途径。这就需要一些智能化的小型机载综合传感器和任务管理软件，保证通信链接，完成无人机与操纵人员间的交互。这不仅使无人机能够确保按命令或预编程序来完成预定任务，对预知的目标做出判断，还能对随机出现的目标和事件做出反应。

2.3飞行仿真技术

在先进控制技术的仿真和验证方面，由于直升机飞行力学在飞行包线内是一个非线性对象，所设计的控制律必须通过非线性仿真环境才能得到全面验证。如何建立更加准确、全面的无人直升机系统数学模型，如何将仿真试验与实际飞行试验相结合，两者如何进行实时通讯是仿真试验进一步提高飞行安全、缩短研制周期、降低研制成本的一个重要课题。

2.4无人直升机生存能力

直升机相对固定翼飞机结构复杂，相当一部分零部件工作在交变载荷下，导致寿命大大降低，这不但给无人直升机的使用维护带来麻烦，同时也严重影响了系统可靠性，因而需要通过合理的结构、强度以及余度设计来提高零部件寿命、增强系统可靠性，提升无人直升机的生存能力。

无人直升机速度小、飞行高度低，其隐身性能就显得更加重要。因此，增强军用无人直升机的隐身性能、提高其战场生存率将是一个发展趋势。采取的措施包括气动外形采用隐身设计、大量使用复合材料和减低RCS涂料，以满足雷达隐身要求。同时还需要考虑无人机的红外和噪声隐身。

2.5无人