摘 要：飞行控制作为无人直升机的核心子系统，涉及飞控体系结构、系统顶层设计、平台仿真、导航技术、综合信息处理、鲁棒控制、试验验证等技术，是实现无人直升机自主飞行的关键环节。本文在解读飞行控制和自主控制概念的基础上，以工程应用、技术预研和理论探索为牵引方向，论述了无人直升机自主飞行控制所涉及的主要关键技术以及当前亟待解决的技术难题，梳理了无人直升机飞行控制方面的发展规划、关键技术和研究思路。通过对无人直升机飞行控制关键技术的有选择、有重点的逐步攻克，不仅可以解决我国无人直升机发展的控制方面的瓶颈技术，缩小与发达国家之间的技术差距，从而又好又快的推动我国无人直升机水平的再提高，满足我国军/民两个应用领域的迫切需求。
关键词：无人直升机 飞行控制 自主控制 关键技术
中图分类号：V249
文献标识码：A
Key Technology of Automatic Flight Control for Unmanned Helicopter
Xu Kexing Chu Zhiwei
（China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen, 333001)
Abstract: Flight control of unmanned helicopters as a core subsystem which involved in many technologies such as flight control architecture, system Top-level design, Simulation platform, Navigation technology, Integrated Information Processing, Robust Control, Experimental Verification and so on, is the key to achieve autonomous flight of unmanned helicopter. In this paper, based on Interpretation of flight control and self-control, traction in the direction of engineering applications, technical pre-study and theoretical exploration, discussing the key technology of autonomous flight control of unmanned helicopters and current technical problems in urgent need of solution, and also describing the development planning, key technologies and research ideas of unmanned helicopter flight control. Through overcoming the key technologies of helicopter flight control step-by-step, can resolve the development of China's unmanned helicopter bottleneck control technology, narrow the technological gap between developed countries, fast and good for promoting China's unmanned helicopter level, so that we can meet the needs of the urgent needs of the application of our military / public areas.
Keywords：unmanned helicopter; flight control; automatic control; key technology
无人直升机因其气动特性、适应性要求等因素，对控制系统提出了更高的技术需求，其关键在于飞控的鲁棒性、安全性以及自主化水平上。无人直升机通常采用遥控型、遥控－自动型、自动型以及自主型等四种控制方式实现飞行控制，其中遥控型和遥控－自动型均需要操纵手进行辅助控制，因而无法满足实用化的需求，是实现自动和自主型控制的过渡阶段。当前国内外无人直升机尚处在较低层次上的自主化水平，即：在有限约束或已知条件下的不需人干预的自动控制；而那种不确定环境下的自主或智能控制，尚处于实验室研究阶段。
近年来，鉴于欧美在无人直升机领域所取得的突破性进展以及我国仍处于试研阶段且尚无定型产品的现状，迫切的需要理清我国无人直升机飞行控制方面的发展规划、关键技术和研究思路。本文以飞控技术的工程可实施角度为要义，以技术预研和理论探索为牵引方向，在解读飞行控制和自主控制概念的基础上，论述了无人直升机飞行控制所涉及的关键技术以及当前亟待解决的技术难题。通过对无人直升机飞行控制关键技术的重点研究和攻克，不仅可以解决我国无人直升机发展的控制方面的瓶颈技术，缩小与发达国家之间的技术差距；还可以增强技术储备实力，推动无人直升机的真正实用化，满足我国军/民两个应用领域的迫切需求。
1飞行控制的理解和认识
1.1自主飞行控制的理解
在无人直升机的控制方式中，遥控型是通过数据链由操纵手实施的控制，属“人在回路”控制；自动型目前达到的水平为：根据任务不同，在起飞前规划好航线、设置控制参数，使无人直升机按预定的航线飞行，并完成预定任务同时具备简单的故障和应急处置能力；自主型飞行控制的研究属于飞行控制的前沿课题，在理论和工程上尚处于起步阶段。
相关文献给出了自主控制的定义，即在未组织的环境结构下采用的高度自动控制；其中“高度”自动控制指的是无人、无外界干预的飞行控制过程，而未组织的环境结构主要是由不确定性所引起的；其控制与决策是在不充分的，甚至是误导的信息下做出的优化控制。
无人直升机飞行控制技术发展的总趋势为：遥控自动半自主全自主协同自主。各国学术界和研发人员也认识到：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、决策和干预，往往不能顺利完成任务。针对如此现状，无人直升机自主飞行控制需迫切解决的问题时：如何最大程度地给无人直升机系统赋予智能，实现其自主飞行控制、决策和管理，从而有限领域、有限功能的取代有人驾驶直升机的作用。
1.2自主飞行控制的认识
飞行中的自动控制、智能控制、自主控制在无人直升机的应用、研究和发展过程中都有所表现。没有自动驾驶仪的无人直升机是无法飞行的；智能控制技术拓宽了无人直升机的飞行功能、性能和任务剖面；而自主控制则是无人直升机未来发展的方向和追求的目标。
美国的无人机发展代表了世界的最高水平，其将无人机的自主能力从遥控到完全自主递阶分成10级，可归纳为四个发展层次：
1）自动飞行控制
自动飞行意味着无人直升机按预先设定的程序飞行；遥控飞行是人为干预的一种手段和方式。无人直升机的所有功能和任务都在飞行前规划好，同时具备简单的故障和应急处置模式；是基于数据驱动的闭环动态反馈飞行控制，几乎不具有智能和自主能力。
2）智能或半自主飞行控制
自主不能等同于智能，智能是根据已有的信息，利用启发式推理、记忆、学习和优化决策等求解问题的答案，主要体现发现知识的能力，智能是自主的“未成年期”，自主才是智能控制最终追求的目的。
无人直升机的智能/半自主飞行控制就是利用传感器及其信息融合技术，感知飞行参数和环境，不断获取信息以减小不确定性因素，从而做出最优决策，实现自动飞行控制的目的。智能或半自主飞行控制是基于信息驱动的闭环动态反馈飞行控制。
3）自主飞行控制
自主意味着一个系统可摆脱外界的影响做出抉择，即一个自主系统具有自由的意志。
无人直升机接受飞行目标，自主决定出没有人干预的可执行任务，有能力和权限做所有决策，具有广泛的态势感知(内部和外部)、预测和机载飞行实时重规划能力。自主飞行控制是知识驱动的，具有很高程度的智能飞行控制。
4）自主群体飞行控制
多个在一起自主工作的无人机构成的智能群体系统。无人机可以进行团队协同，群体中单个系统至少拥有半自主能力，以使整个自主群体的负担保持在一个合理水平。
自主群体飞行控制属于多目标任务执行过程中的一种飞行决策控制，而不是描述无人机操纵飞行控制的。自主群体飞行控制需考虑的因素有：目标识别、作战任务、能先投人的武器、敌机的易损性、杀伤评估结果、相对几何条件、协同方式等。
当前，技术水平最高且采用常规布局的无人直升机为美国的火力侦察兵和奥地利的Camcopter无人直升机。然而，依据美国国防部对无人系统自主化作战能力的衡量标准，当前火力侦察兵的自主化作战能力仅为3～4等的水平，距离自主化作战能力等级还存在很大差距。Camcopter是奥地利开发的一个小型可遥控和具备自主飞行能力的无人直升机，其最大的技术优势是轻便灵活的使用方式、直升机本体及其控制站和后勤保障系统的简单化和低成本，这也使得Camcopter无人直升机的技术思路和技术路线成为当前小型或微小型无人机开发的典范。
2 主要关键技术
2.1飞行控制的基础性问题
无人机飞行控制系统实现的三个环节是：无人机建模、控制律设计、控制系统仿真；其中无机对象特性数学模型是飞行控制律设计和仿真工作进行的先决条件。无人直升机建模的技术难度大、置信度低，无法满足控制系统设计的需求；再着无人直升机建模需要对总体和气动方面的知识理解较深；这些因素使得直升机建模始终制约着控制系统的设计。
无人直升机建模技术是一项复杂的系统工程，需要飞行力学专业和飞行控制专业密切合作，并结合飞行试验数据分析才能完成。通过跟踪国外“火力侦察兵”无人直升机的研制过程，其数学模型不仅需要解析建模，也需要将试飞数据与解析建模相结合。受此技术路线的启发，以FlightLab建模环境、叶素理论和动量法为基础的解析建模方法均不能独立解决数学模型的高置信度问题；只有将解析建模方法与基于飞行试验数据的系统辨识建模方法相结合，两者相辅相成，才能构建高置信度的无人直升机数学模型，满足飞行控制系统设计和仿真的需求。
2.2飞行控制的关键技术
2.2.1飞控等级与表征技术
1）自动飞行控制
以多模态自动飞行控制、自动起飞/着陆、自动航线飞行、传感器信息融合、高精度导航与定位控制、全飞行包线的控制律设计、有限故障诊断与处置控制、自动与遥控的复合控制等为主要技术特点的自主飞行控制。
2）智能或半自主飞行控制
以智能故障诊断和容错控制、余度控制、自适应控制、目标识别与自动跟踪控制、地形匹配与障碍回避控制、半自主起飞/着陆、全飞行包线的多模态控制律鲁棒设计、离线/在线的航线规划与重规划、飞行和任务管理的综合控制、飞行安全控制等为主要技术特点半自主飞行控制。
3）自主飞行控制
以系统重构控制、实时故障诊断/决策与控制、自主起飞/着陆、实时航线规划与再规划、大机动飞行控制、智能感知与识别、自主效能评估与管理、自主作战与任务执行等为主要技术特点自主飞行控制。
4）自主群体飞行控制
基于个体自主飞行控制，以集群分布式控制与自主集群编队飞行、协同任务执行与攻击作战、合作/协作管理与控制、群体决策/规划与重规划等为主要技术特点完全自主群体控制。
2.2.2主要关键技术
1）无人直升机综合飞行控制技术
无人直升机综合飞行控制系统的体系结构从三个层面上实现：（1）原始传感器等底层信息处理；（2）导航和控制算法计算；（3）飞行管理、协调、规划和决策控制。
先进综合飞行控制系统应采取层阶分解、开放的、弹性的控制结构，在可变自主权的决策、管理和控制的基础上，以面向任务、面向效能提供最大的功能可拓展性。只有在大系统的概念下，综合应用鲁棒、自适应和智能控制等控制思想和方法以及先进的飞行控制技术，才可能真正发挥出无人机技术的综合效能潜力。
2) 无人直升机高可靠飞行控制系统技术
针对高成本无人直升机，研究其高可靠飞行控制系统技术，从传感器、飞控计算机、执行机构，以及飞行控制软件等多个方面进行设计，余度结构构成等；研究内容包括：（1）无人直升机高可靠飞行控制系统硬件配置方案研究；（2）高可靠飞行控制系统的传感器配置方案研究；（3）高可靠飞行控制系统的余度飞控计算机配置方案研究；（4）高可靠飞行控制系统的执行机构配置方案研究；（5）高可靠飞行控制系统的软件开发环境和实现技术研究。
3）基于全飞行包线的多模态/多变量鲁棒控制技术
针对无人直升机固有的通道耦合和多输入多输出特性，研究适合于无人直升机的全飞行包线的多变量控制技术，并与经典单变量控制技术相对比，形成可工程化的多变量控制技术。具体研究内容包括：（1）无人直升机通道解耦的多变量控制；（2）强不确定下无人直升机鲁棒控制；（3）无人直升机全飞行包线的多模态控制律设计；（4）无人直升机多变量控制设计环境开发技术。
4）无人直升机自主控制与实时航线规划技术
研究无人直升机在超视距或远程不确定环境下的自主飞行控制、实时航线规划技术以及多无人直升机系统的集群分布式控制与自主集群飞行研究，主要研究内容：（1）无人直升机不确定性环境下的鲁棒控制与制导控制技术；（2）无人直升机不确定性环境下的智能故障诊断和容错控制技术；（3）无人直升机实时自主航线规划、再规划理论与应用技术；（4）无人直升机自主起飞和自主着陆控制技术；（5）自动目标识别、跟踪与回避控制技术；（6）无人直升机集群分布式控制与自主集群飞行。
5) 大机动控制技术
虽然无人直升机已不受飞行员制约的过载限制，但当前服役的无人直升机缺乏承受大过载飞行能力。这一问题不仅表现在机载设备上，还表现在无人直升机机体上，如何根据无人战斗机的优势和特点设计有效的大机动敏捷控制律尚无先例，研究成果非常缺乏。然而，体现无人战斗机的优势及其执行攻击任务的能力主要依赖于大机动敏捷控制律，所以有关这方面的研究成果非常迫切。
6) 组合导航技术
目前和未来10年，可供无人机使用的导航系统有惯性导航系统( IN S)、卫星定位导航系统(包括美国的GPS系统、俄罗斯的GLONA SS系统、欧盟的GALILEO系统和我国的北斗定位导航系统)、地形或景象参考导航系统、其他无线电导航系统等。各种导航方式各有优缺点，如何将不同导航技术和信息有机融合，构造基于多传感器信息融合技术的IN S、卫星导航和地形参考组合导航系统，利用冗余测量信息获得一种具有高精度和高可靠性的组合导航系统。
7) 智能重构飞行控制技术
采用主动容错控制技术，在对故障进行检测和辨识的基础上，充分利用控制系统的功能冗余来进行飞行控制律的重构，使飞行器能适应故障或特殊任务环境。因此，可重构飞行控制技术可以降低对飞控系统硬件余度的要求，允许飞行器在出现大范围故障和战斗损伤(如舵面、翼面结构损坏等) 的情况下，仍能保证一定的飞行性能。当前有人机的重构控制技术的研究已经很多，作为技术的延伸，无人直升机的重构飞行控制将成为现代无人机综合设计领域的热门研究专题之一。主要的研究内容包括：①飞行控制律重构的实时性问题；②重构控制中的鲁棒性分析与综合方法；③故障检测器与重构控制器的集成设计问题。
8）无人直升机通用实时仿真技术
通过对无人直升机高置信度建模理论的探索和研究，研究适合未来无人直升机飞行控制仿真的通用软件和硬件体系架构，并融合视景仿真技术，构建硬件在环和人在环的实时半物理仿真系统，主要研究内容：（1）无人直升机高置信度建模理论和应用；(2)无人直升机通用仿真平台的软/硬件体系和实现技术；（3）无人直升机硬件在环/人在环实时半物理仿真技术；（4）无人直升机高逼真度的视景仿真技术。
2.3关键技术的研究方法和技术路线
无人直升机飞控系统的研制是一项系统工程，充分体现了理论与工程技术、研究与实践的紧密结合，其中涉及理论分析、建模、算法设计、计算机仿真和试验方法等方面。根据上述关键技术和研究范围，需制定合适的研究方法和技术路线（如图3所示）：
1)理论与工程技术相结合：①理论建模如何适应和满足工程开发的技术需求；同时工程开发要在理论体系的指导下进行；②寻找经典和现代控制理论相结合的控制途径；③信息融合技术在理论与工程技术结合的问题。
2)研究与实践相结合：研究与实践既统一又存在矛盾，统一体现在研究和实践都必须遵循物理规律且目标相同；矛盾在于研究与实践往往存在很大差距，对此无人直升机飞控系统研制过程表现的尤为突出。正因为这种矛盾和统一，在无人直升机飞控系统的研制过程中，更需要强调实践的作用，国外在研究无人直升机过程中，飞行试验所起到的作用非常大。在这种实践与研究的迭代中，推动该关键技术的有效实施。
3 亟待解决技术
1）多模态控制律设计和实现技术
无人直升机动力学和物理特性非常特殊，需要重新考量常规的姿态控制方式、内外回路结构、反馈控制与前馈控制以及自动配平技术。此外，由于无人直升机研发成本、使用环境等因素，使得部分姿态、速度等信号的精度较有人直升机差，导致控制精度不理想，也迫使需要寻找新的控制方案。因此，在速度回路和位置回路的控制方案亦不能以常规的控制模态来设计，需要研究多模态综合控制设计与实现技术，以提高整体的控制效果。
此外，针对无人直升机数学模型置信度低的问题，需要利用直升机飞行的特殊性，并结合飞行试验，研究在无数学模型条件下的飞行控制方案和控制律设计技术。
2）自动起飞和自动着陆控制策略和实现技术
自动起飞/着陆控制是建立在多模态控制基础上的综合实现，自动着陆控制要难于自动起飞控制，自动起飞/着陆控制的关键是对环境的强适应性和安全性控制、对总距通道和尾桨通道的精确控制，具体体现在升降速度和航向，以及安全有效的近地控制策略。
要实现自动起飞/着陆控制，需重点分析和研究以下内容：①较高精度的高度和高度变化率信号获取；②实现自动起飞/着陆的传感器的有效配置；③以高度为基准的分阶段控制策略研究；④应急情况下的紧急处置控制策略；⑤为了安全实现自动起飞/着陆，研究半自动起降和全自动起降的分步实施试验方案；（6）自动起降的强适应性管理和控制。
3）传感器信息融合技术
有效的传感器信息是实现飞行控制的基础，而无人直升机受研制成本、有效空间和有效载荷等条件的限制，使得部分传感器信息的获取成为一种技术难题，此外振动和电磁干扰也使得信息的品质变差。因此，需要根据无人直升机的特殊应用环境，研究以互补滤波和扩展卡尔曼滤波为代表的具有工程应用价值的数据融合算法。
4）发动机变权限控制与安全控制
无人直升机在悬停、爬升、下滑等飞行过程中所需功率不同，发动机在高负载和低负载下的控制特性有明显差异，为保证发动机转速控制性能，需要研究发动机负载明显变化下的变权限控制技术，建立负载变化与权限的匹配关系。主要解决的课题包括：（1）旋翼变转速控制技术；（2）悬停/小速度飞行阶段的发动机变权限控制技术；（3）悬停过渡/前飞过渡的发动机变权限控制技术；（4）发动机控制补偿与安全控制技术。
5）舰载无人直升机控制技术
为解决无人直升机上舰的迫切需求，需要重点解决如下课题：（1）舰面自动起飞和着舰控制；（2）鲁棒的姿态控制和航向控制；（3）舰面上空悬停和小速度跟随控制技术；（4）舰船运动对着舰控制的补偿技术；（5）自动着舰轨迹跟踪控制；（6）着舰过程中的高精度相对位置控制技术；（7）自动着舰的导航控制策略研究。
6）研制操作灵活、易于维护的无人直升机飞控系统
目前，无人直升机的主要缺点和不足是，缺少应对突发性事件的能力，只能执行预定的任务，而且不容易操纵、维护成本高。因此，发展自动化程度高、易于维护、易于操纵的无人直升机是一个重要的发展趋势。随着电子技术、信息技术，特别是控制技术等的发展，无人机机载设备的性能将有质的飞跃，灵敏度分辨率将更高，飞控系统的运用将更加成熟，易于操纵和维护的无人直升机将成为可能。
4 结论
未来无人机技术将要体现的是一种特定领域中应用的先进机器智能技术。无人直升机自主飞行控制应在大系统的概念下来看待，其所面临的挑战在于如何在不确定的飞行条件下实现一定的实时自主控制决策能力，如何充分体现这种无人控制系统的鲁棒性、容错性、自适应性和智能性，最终在局部/完全取代并超过人的决策作用。只有这样，才可以使未来应用中的无人直升机机具备自主能力，发挥出其最大的综合效益。
目前，我国无人直升机飞控系统虽然已经实现了由无线遥控、程序控制实现了航迹自动控制，但是其飞控系统不论从基础理论、体系结构、设计标准、研制手段、管理水平等方面，均与国外有相当的差距。当前，伴随着新一轮的无人直升机研究热潮，国内总多单位研制热情很高，但是也应当清醒地认识我国无人直升机及其控制方面存在诸多瓶颈技术，需要长期、可持续的投入和研究，那种盲目、轻视、急功近利以及急于求成的态度对无人直升机事业的发展是不利的。因此，围绕着国家对无人直升机技术的大发展，飞控系统作为无人直升机的核心子系统，需要在飞控系统体系结构、系统顶层设计技术、平台仿真技术、任务载荷控制技术、通信技术、导航技术、综合信息处理技术、飞行控制技术、试验验证技术等方面进行有选择、有重点的逐步攻克相关关键问题，从而又好又快的推动我国无人直升机水平的再提高。
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论文作者:徐科星 储志伟
论文发表刊物:《科技新时代》2019年4期
论文发表时间:2019/6/18
标签：直升机论文; 自主论文; 技术论文; 无人机论文; 系统论文; 控制系统论文; 建模论文; 《科技新时代》2019年4期论文;