无人机飞行控制技术

48.7英尺 450磅 航空汽油 115马力 Ku波段 C波段
升限 起飞方式 传感器类 型
25000英尺 跑道 光电/红外
500海里 跑道 雷神AN/AAS-52
合成孔径雷达
诺斯罗普· 格鲁门 AN/ZPQ-1
“火线哨兵”（Fire Sscout）
RQ-8B
机长 总重 燃油载 荷 22.9英尺 3150磅 1288磅 翼展 有效载荷 燃料类型
发动机 型 号 数据链 类 型
罗尔斯· 罗伊斯 250-C20W 视线 指挥与控制
功率
频段
Ku波段/ 超 高 频 Ku波段
起飞方 式 传感器 类 型
视线 视频
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“持久自由”和“伊拉克自由”作战行动中使用。
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、Βιβλιοθήκη Baidu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。 – 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。
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
美国“捕食者”无人机
• 通信技术
我国“长空一号”高速无人
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。
——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l－2人操作的迷你型 或微型无人机系统) 无人飞艇(包括浮空器和软式飞艇)。
RQ-8B
27.5英尺 600磅 JP-5/JP-8 （ 航 空 煤 油） 420轴马 力 续航时 间 升限 >6小时 20000英尺 垂直 光电／红外／ 激光指示 器／测距 仪 最大/巡逻速 度 使用半径 降落方式 传感器型号 125/0海里/小时 150海里 悬停 FSI Brite Star II
• 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。
典型的无人机飞控系统方案
电 源 天线 GPS接 收机 天线 北斗无源 接收机 数字罗盘 空速管 飞行信息系统 （含气压计、 空速传感器、 IMU） 无线电 高度仪 下级控 制器 天线 天线 V尾舵 机/副 翼舵机 气囊 北斗主 动式收 发机 任务设备 伞
电 源 管 理 模 块
飞行信息计算机
飞行管控计算机
大型无人机系统：捕食者
MQ-磅
MQ-磅
续航时间
>24小时(无外挂)/14小 时(带外挂)
最大/巡 逻 速 度
使用半 径 降落方 式 传感器 型 号
118/70海里/小时
机长 总重 燃油载荷 发动机型号 数据链类型
26.7英尺 2250磅 665磅 Rotax 914F 超视线 视线
翼展 有效载荷 燃料类型 功率 频段
ECU 发动机
• 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 设计目标： 各传感器信息融合后估计性能应能达到：50～4000m范围 内较精确的高度估计；0～0.677M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 • -40~85℃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
机上飞行控制系统
• 从功能上可以分为三个子系统： 1) 导航子系统：给出位置/速度/姿态信息 2) 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 3) 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
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
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
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。
• 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！
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。