无人驾驶飞机飞行控制新技术_雷仲魁

第41卷增刊2009年12月 南　京　航　空　航　天　大　学　学　报Journal of Nanjing U niversity of Aero nautics &Astro nautics

V ol.41N o.S

　Dec.2009无人驾驶飞机飞行控制新技术

雷仲魁　仲筱艳　钱默抒

(南京航空航天大学无人机研究院,南京,210016)

摘要:分析了国外无人机飞行控制系统的发展现状和趋势,提出了无人机控制系统的发展方向为自主控制,以及其中的两个关键技术:个体层面上的故障诊断与自修复飞行控制和集群层面上的多机协同技术。并对实现这两种飞行控制系统所要研究的具体技术进行了阐述,为新一代飞控系统设计提供了参考。关键词:无人机;多机协同;集群;容错

中图分类号:V 249 文献标识码:A 文章编号:1005-2615(2009)增刊-0012-03

　收稿日期:2009-05-21;修订日期:2009-07-21

　作者简介:雷仲魁,男,副研究员,1964年6月生,E -mail :lzk @sumec .com .cn 。

Flight Control Technologies for Unmanned Aerial Vehicles

L ei Zhongkui ,Zhong X iaoy an ,Qian Moshu

(Research Instit ute o f U nmanned A ir craft ,N anjing U niver sity of A er onautics &A stro nautics,

N anjing ,210016,China)

Abstract :The abroad development trend and the situatio n of unmanned aerial vehicle (UAV )are ana-lyzed .M oder n flig ht control on the aspects of the gr oup coor dination and the fault tolerance are re-searched.And r elative technolog ies for achieving the tw o flight contro l sy stems are discussed.A desig n reference is pr ovided to dev elo p a new flig ht control sy stem.

Key words :unmanned aer ial vehicle (UAV );m ulti -aircraft cooper ation ;gr oup coo rdination ;fault to l-erence

高技术的发展,信息技术的革命,使得高技术武器层出不穷。作为未来战争物质基础的高技术武器装备,正朝着信息化、精确化、隐身化和无人化方向发展[1]

。

随着各种航空和电子技术的发展,无人机在性能上得到了迅速的发展,在军事和民用领域都有了广泛的应用前景。与有人机相比,无人机具有价格低廉、机体小、机动灵活、无人员伤亡,起飞条件、空勤保障相对简单等优点。但面对新形式下的作战需求,现在的无人机又显得智能化程度不够,在复杂不确定的环境条件下,现有的无人机系统一旦缺乏人的控制决策干预,往往不能顺利完成任务。

自主控制技术成为无人机的发展重点之一,越来越受到重视。半自主控制、自主控制的概念被提上了日程。如何最大程度地给无人机赋予智能,实

现其自主飞行控制、决策、管理及健康诊断和自修复,从而在某些领域取代有人驾驶飞机,是今后需

要研究的主要方向。

1　国外无人机飞行控制的发展现状

和趋势

美国作为全球第一军事强国,无人机的种类和数量都居全球第一,美国无人机的发展方向代表了世界无人机的发展趋势。为了指导和规划美国无人机的发展,美国国防部相继于2000,2002,2005和2007年公开发表了4个官方文件:《2000～2025年美国无人机路线图》[2]

、《2002～2027年美国无人

机路线图》[3]、《2005～2030年美国无人机系统路线图》[4]、《2007～2032年美国无人系统路线

图》[5]

。前3个路线图分别给出了自主控制等级发

展趋势图,对无人机自主控制级别(Aulo no mous co ntrol lev el ,ACL )都采用了相同的提法,把自主控制的级别划分为了10级(图1)[4],对自主控制等级的衡量标准中包括故障诊断能力、航线规划能力、机群协同能力、机群战术规划能力、分布式控制、机群战略目标等内容。并对当前有代表性的、在研的和未来规划的无人机系统如Pioneer,Go lbal Haw k,X-45,AFRL Goal 和ONR Goal 等的ACL 都进行了较明确的定义。ACL 己经开始作为一种标准用来衡量无人机的自主性,提高ACL 是美国无人机发展的趋势之一

[2-5]

。

图1　自主控制等级趋势图

通过分析无人机自主控制的完善和发展过程,可以对无人机自主控制这样定义:无人机自主控制就是要使无人机或无人机机群能够在不确定的环境中,依赖自身和机群的观察、定位、分析和决策能力完成特定任务,且完成任务的过程中不需要人的实时控制。这个任务越高级、越复杂,无人机的自主控制等级就越高。

从自主控制等级的内容来看,自主控制等级1～3级主要完善个体的性能,4级达到个体的最高性能,5～10级侧重于具体的群体特性。以下将从个体和集群两个层面论述无人机飞行控制系统需要重点关注的技术。

2　故障诊断与自修复

无人机在复杂未知飞行环境下的故障诊断与容错控制为提高无人机飞行的安全性、可靠性及早期故障的适应与防护能力提供了一条新的技术途径,同时自诊断与自修复能力也是构成完全自主(智能化)飞行控制系统的基础。

不断庞大的无人机规模和其昂贵的任务设备,带来的飞行安全性要求,对飞行器的可靠性和容错能力提出了更高的要求。无人机的飞行控制系统作为飞行器的控制中心对其飞行安全起到至关重要

的作用,这就要求无人机飞行控制系统除了优良的设计和严格的地面试验之外,还要具备在飞行过程中系统出现故障时能实时快速诊断,依据故障特性和损伤特性,迅速进行故障隔离和控制重构,实现无人机的最低安全性要求,保证无人机飞行任务的继续执行或者保证无人机安全返航回收。

无人机的飞行控制系统通过采集各机载传感器信息,结合飞行任务需求,控制无人机舵面和发动机等执行机构,实现对无人机不同层次的控制。传感器信息的冗余、信息之间的内在关系、以及执行机构的操纵余量设计等,为飞行过程中无人机故障自诊断与容错控制提供了理论上的可行性。设计精良的自检测功能(BIT),为飞控计算机进行快速故障检测和定位提供直接的帮助。

传感器信息的内在关系、冗余信息出现矛盾时的仲裁算法的深入研究,多层次机载部件BIT 设计与验证,容错控制律设计与仿真验证,安全性故障控制软件模块以及高可靠性机载软件的开发与测试等,是提高无人机飞行安全所必须开展的工作。

3　多机协同技术

单架无人机独立飞行逐步提高到多架无人机编队,实现多架无人机协同飞行,是无人机自动控制的新高度。为了做到协同,无人机群应该具有高度的自主程度,并能在不同作战阶段进行可变自主程度飞行。编队中的单个无人机应能以不同的路径飞行,能为其他编队成员提供完成协同任务所需要的支持,能感知和评估变化的境况、形势和环境,能自动进行航路重规划,达到对目标区域实施从空间、时间或频率上的有效覆盖:

(1)空间覆盖:预先侦察、收集地理信息。分为点覆盖、面覆盖和点、面混合覆盖。

(2)频率覆盖:日常边境巡逻,无人区、军事隔离带巡视,敌方大型战略工事修筑进展监视,突发事件局势监控等。

(3)时间覆盖:无人机与有人机协同作战,无人机与地面部队协同作战,打击效果、毁伤程度实时评估,炮兵校射等。

相对于单架无人机的控制来说,多机协同的无人机控制系统优势在于:各架无人机从完成任务的层面上,能达到互为余度的效果;能高效地完成目标区域面积大、目标数量多的任务;能充分利用各架无人机装载的不同侦察设备对同一隐蔽目标实施有效的侦察,提高目标发现率和识别率。多机协同系统作战任务规划如图2所示。

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