无人机遥控驾驶关键技术研究与飞行品质分析_丁团结

等方面的要求较高，而这些因素也成为了困扰无人机遥控驾驶发展和应用的关键。借鉴无人机技术验证平台地
面闭环试验的结果，以时间延迟、数据链路性能为重点针对无人机遥控驾驶所面临的各种关键技术难点进行了
深入的分析、研究，提出了合理的关键技术解决方案并利用地面闭环试验环境进行验证，最后利用有人驾驶飞
行器飞行品质规范提出了初步的无人机飞行品质评价方法。
关 键 词： 无人机； 时间延迟； 遥控驾驶； 飞行控制； 数据链路
中图分类号： V279
文献标识码： A
wenku.baidu.com
文章编号： 1002-0853（ 2011） 02-0017-03
引言
一般情况下，无人机操纵模式可划分为遥控与 程控两种，遥控操纵模式将为驾驶员提供更大的操 纵权限，在执行任务过程中灵活性大、可实现机动飞 行控制，一般适用于较为复杂的任务环境（ 尤其是在 复杂战场环境下的作战任务） ，但驾驶员操纵负荷较 大，且对数 据 链 性 能 要 求 较 高，技 术 实 现 上 较 为 复 杂。程控模式相对于遥控模式来说，驾驶员操纵负 荷小，系统具有较高的自主性，对数据链性能要求较 低，但控制系统设计较为复杂，对机载设备精度要求 高，执行任务的灵活性、机动性相对较差。从无人机 领域的发展趋势来看，程控模式是今后的主流方向， 但是遥控驾驶模式仍然是不可或缺的，在某些状态 下要完成预定任务或紧急返回时遥控驾驶模式会更 加有利，且遥控驾驶对于无人机部分关键技术的发 展有着极大的促进作用。
图 3 时间延迟补偿算法数值仿真结果与地面仿真结果
第2 期
丁团结等． 无人机遥控驾驶关键技术研究与飞行品质分析
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3. 2 数据链管理与性能优化 数据链的部分特性对于飞行品质甚至于飞行安
全都有着至关重要的影响，为了提高无人机的飞行 品质特性、消除由于数据链本身特性所引起的安全 隐患，需要有效、可靠的数据链管理策略，对其性能 进行优化，保证系统安全，提高飞行品质。
图 2 数据链路丢帧对无人机操纵响应的影响
误码率指的是数据链在传输过程中非期望数据 占数据传输总量的比例，在上行控制指令中误码产 生的错误指令可能对系统的安全产生直接影响，必 须加以保护。因此一般要求数据链路的误码率应当 低于 10 － 6 ，以保证在正常情况下不会产生对飞机不 利的错误操纵指令。
数据链的工作性能在实际使用过程中会受到多 种因素的干扰，包括遮挡、电磁干扰等，这样就会增 加数据传输的丢帧率与误码率，甚至于产生断路的 情况，而这些对于实时性、连续性要求较高的遥控驾 驶飞行将产生明显的影响，甚至威胁到飞机的安全。
第 29 卷 第 2 期 2011 年 4 月
飞行力学 FLIGHT DYNAMICS
Vol． 29 No． 2 Apr． 2011
无人机遥控驾驶关键技术 研究与飞行品质分析
丁团结，方 威，王 锋
（ 中国飞行试验研究院 飞行仿真实验室，陕西 西安 710089）
摘 要： 无人机遥控驾驶方式相对程控方式来说，在时间延迟、情景遥现、数据链性能优化以及飞行控制
无人机飞 行 品 质 的 建 立 是 基 于 大 量 试 验 数 据 的，并针对不同操纵形式与任务目标进行细化要求， 针对遥控驾驶的飞行品质要求中时间延迟和数据链 路性能的要求应当被着重考虑。
参考文献：
［1］ Cormac McFarlane，Thomas S Richardson，Chris D C Jones． Unmanned aerial vehicle flying qualities［R］． USA： American Institute of Aeronautics and Astronautics，2008．
收稿日期： 2010-07-17； 修订日期： 2010-12-30 作者简介： 丁团结（ 1979-） ，男，河南新蔡人，硕士，研究方向为飞行控制与飞行仿真。
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飞行力学
第 29 卷
量中占据主要地位，通常在不使用卫星中继的情况 下，数据链的上下行传输时间保持在 110 ～ 120 ms 之间，无人机平台响应时间通常会在 100 ms 左右， 由此看来，无人机系统的时间延迟总量通常情况下 会保持在 280 ms 左右。
（ 2） 对 于 数 据 链 路 来 说，应 当 从 丢 帧 率、误 码 率、抗干扰特性、加解密、传输延迟等多个方面加以 规范，针对不同操纵模式与任务目标进行要求，根据 大量的试验数据提出具体的量化考核指标。
5 结束语
测控数据链路性能以及时间延迟是影响无人机 遥控驾驶品质特性的两个非常重要的因素，若没有 合理的管理策略与补偿方法，将会影响到无人机的 品质特性甚至于安全。本文所提出的方法经过地面 试验验证表明能够有效提高无人机系统的飞行品质 特性与安全性，适用于工程应用。
例较大，大的时间延迟会造成系统实时性下降，同时
对于无人机的飞行品质会产生较大的影响。丢帧率
对系统延迟有一定影响，一般情况下不会占据主导
地位，但是如果丢帧持续时间较长对于系统的时间 延迟会产生比较明显的影响，如图 2 所示。
3 遥控驾驶关键技术解决方案
3. 1 时间延迟补偿 时间延迟对飞行品质的影响很大，目前大部分
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4 遥控驾驶飞行品质初步探索
现阶段无人机飞行品质规范中对于遥控驾驶飞
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［7］ 倪树新． 航母载机着舰引导系统的体制研究［J］． 电光 系统，2000，（ 2） ： 8-19．
1 地面试验环境简介
本文中所使用的试验平台包括地面动力学仿真 系统、飞机平台、地面配套设施、测控数据链路以及 地面任务控制站。其组成结构如图 1 所示。
测控链路是飞机平台与地面任务控制站联系的 纽带，通过无线方式进行上下行数据的传输，飞机动 力学仿真系统则是通过采集飞机舵面传感器偏度和 油门杆位置作为输入，利用完整的六自由度运动方 程解算得到飞机的各种动态响应，通过相应的接口 与电缆发送到飞控计算机与视景系统，构成地面模
［2］ Andrew J Thurling． Improving UAV handling qualities using time delay compensation ［R］． Graduate School of Engineering and Management（ AFIT / EN） ： Air Force Institute of Technology，2000．
的无人机系统时间延迟集中在 400 ms 左右，在遥控 驾驶模式下飞行品质很差，仅能够完成一些简单的 任务，无法实现快速机动操纵。为了提高无人机遥 控驾驶的飞行品质，国外在这一领域已经开展了大 量的研究与试验验证工作，提出了具备工程实际应 用价值的时间延迟补偿技术。国外操作员评价结果 表明，在系统时间延迟为 189 ms 而未使用补偿技术 时操作员会给出 3 级飞行品质和 7 ～ 9 级的 C-H 评 定等级（ 又称为库珀-哈珀飞行品质评定等级，由库 珀-哈珀创建，共划分为 10 级） ，而使用时间延迟补 偿技术后，在系统时间延迟为 389 ms 时，操作员可 给出 2 级飞行品质和 5. 3 级的 C-H 评定等级［1］，这 就说明采用时间延迟补偿技术来提高飞行品质是可 行的，而且非常有效。时间延迟补偿技术的基本原 理就是利用飞机响应的预测与修正技术实现对系统 时间延迟 的 补 偿，以 达 到 减 小 时 间 延 迟 的“假 象 ”， 提高驾驶员操纵时的飞行品质［2］。实现上是通过在 地面任务站中建立飞机本体的动力学模型，当飞行 员进行操纵时，首先通过动力学模型对飞机响应进 行预测，将预测响应先呈现给操作员，然后再与链路 下行的真实飞行参数进行叠加、修正以保证预测响 应与实际响应的一致性，由此改善操作员的操作感 受。图 3 为地面数值仿真计算与地面闭环试验的 结果。
2 遥控驾驶关键技术分析
2. 1 时间延迟 在无人机系统中，时间延迟的含义就是指从地
面驾驶员的力输入开始到他感受到无人机响应信息 所经历的时间。根据无人机系统的组成来看，无人 机系统时间延迟主要包括了信号采集与处理、数据 传输与显示、平台响应所产生的时间延迟。
一般信号采集、处理所引起的时间延迟与系统 软件的运行周期有关，通常情况下，系统软件运行周 期一般控制在 10 ～ 20 ms 之间，因此系统软件运行 所产生的时间延迟在 60 ms 左右（ 系统软件运行周 期取中间值 15 ms） 。相对来说，数据链上下行传输 与平台响应时间较长，在无人机系统的时间延迟总
在有人驾驶飞行器飞行品质规范中对飞机的操 纵时间延迟要求如表 1 所示。
表 1 飞行品质对时间延迟的要求
飞行品质等级
时间延迟要求
1级
不大于 100 ms
2级
不大于 200 ms
3级
不大于 250 ms
由表中可以看出，在系统存在 280 ms 时间延迟
情况下，飞行品质等级会低于 3 级，实际使用过程中
拟仿真的闭环，飞控计算机根据操纵杆输入进行控 制律计算得到舵面偏转指令，通过伺服机构驱动舵 机带动舵面偏转。该环境具备了无人机系统的所有 必要环节，可完成无人机关键技术的探索、研究与验 证，本文将以该平台的地面试验验证结果为基础对 无人机关键技术进行深入分析、研究。
图 1 无人机技术验证地面闭环环境
一般使用条件下丢帧持续时间约为 30 ～ 45 ms， 不会对飞机平台产生明显的影响。如果存在电磁干 扰或遮挡，可能会出现超过 1 s 以上的连续丢帧，这 时对于遥控驾驶来说就是不可忍受的。为保证系统 安全，需根据持续丢帧的时间采取不同的应急处置 措施，如平滑过渡与模式切换等。
对于误码率的处理要求在接收到遥控驾驶指令 时进行速率与幅值的限制，保证操纵指令的连续与 正确，为避免由于误码的产生而导致飞机平台产生 较大瞬态响应，影响飞机的安全，需设置相应的安全 应急处置措施。
会增加驾驶员工作负荷，同时可能影响任务的执行。
2. 2 数据链性能
数据链承担着空地上下行数据的传输工作，对
整个无人机系统的工作性能、可靠性和安全性都有
着至关重要的作用，数据链的性能好坏、管理策略是
否得当将直接影响无人机系统的工作。数据链性能
的主要指标包括传输延迟、丢帧率及误码率。由于
数据链传输延迟在整个系统的总时间延迟中所占比
实际应用过程中，由于数据链上下行传输机理 所限，数据链的时间延迟与丢帧率会产生一定的相 互影响，实时性的提高会导致数据链路丢帧率增加， 相反减小丢帧率同样会导致数据链传输时间延迟增 加，最大可能会达到 1 s 以上的时间延迟。
由于上下行数据传输时机载飞控或地面数据采 集计算机与测控链路之间会存在时间上的不同步， 因此机载飞控与地面数据采集计算机从测控链路接 收到的数据未必每次都是一个完整的数据帧。要减 少丢帧率，则需要机载飞控、地面数据采集计算机对 接收到的数据进行帧的二次组合，这可能会导致数 据的堆积，从而导致系统时间延迟的增加。由于遥 控模式上下行传输的信息量较大，会频繁发生数据 堆积，这将严重影响数据传输的实时性。如果要提 高实时性，则必须“抛弃”上下行传输数据中不完整 的帧，而这样将导致丢帧率的大幅提高，这就需要根 据不同的操纵模式来选择不同的处理方式。程控模 式下要求较低的数据传输丢帧率，提高数据传输的 连续性，遥控驾驶模式下对实时性有很高的要求，此 时可在允许的条件下适当提高丢帧率，以满足对实 时性的要求。通过大量的地面试验表明，在保证遥 控操纵模式所需的实时性情况下，传输丢帧率达到 了 16% 左右，同时试验也表明采用合理的处理方式 可以保证 16% 的丢帧率对飞机的遥控驾驶操纵不 会产生明显的影响。
行的时间延迟与数据链性能还没有明确的要求，无 法实现遥控操纵的性能和品质评价，参照本文的试 验结果可对遥控驾驶飞行品质提出以下两点建议：
（ 1） 时间延迟的要求需根据无人机的操纵方式 进行规范，且遥控驾驶模式下完成不同任务的时间 延迟要求也应当加以区分。若遥控模式下仅完成姿 态保持、爬升、下降等简单任务，时间延迟的要求可 相对较低，飞行员在地面闭环试验的评价中给出了 300 ms 的可接受延迟时间，如果要完成遥控起降、对 地攻击以及机动性较高的任务时，时间延迟的要求 应当提高，参照有人驾驶飞机来看，必须保证 150 ms 以下的时间延迟。