万博士的航空讲堂深入篇 [12]

十四、飞行控制系统

飞机在空中飞行的时间有时很长（十几个小时），且飞行姿态变化较小，使飞行员感到非常疲劳；另一方面，飞机一旦在空中突然遭遇气流不稳定的情况（例如阵风或紊流），由于变化快，飞行员往往很难操纵飞机。因此，为了减轻飞行员的负担、提高飞机的安全性、操纵性和稳定性，就需要发展控制系统。

飞机的操纵可分为人工操纵和自动控制两类。人工操纵是指驾驶员通过操纵装置操纵气动舵面、发动机油门杆或阀门开关等方式控制飞行器的飞行。自动控制是指通过飞行自动控制系统，自动完成对气动舵面和发动机油门杆的操纵，驾驶员只进行监控和在必要的时候切换到人工操纵。

1.飞机的操纵系统

是将飞行员的操纵动作指令传达给气动舵面或其它操纵机构的系统，经历了从机械操纵系统、液压助力操纵系统到电传操纵系统的发展过程。

（1）机械和液压助力操纵系统

机械操纵系统随着飞机的发明同时出现，由连杆、摇臂、支座、钢索、滑轮等零部件组成（图1）。机械操纵系统属于飞机的结构部分，一般不将其列入机载设备，目前仍旧在一些轻小型飞机和直升机上使用。

随着飞机飞行速度的提高，气动舵面的载荷越来越大，以至于仅凭飞行员个人的力量不能完成必要的操纵动作。为了克服这一问题，发展了液压助力操纵系统（图2）。这样，飞行员只需将操纵杆的位移量传输给液压系统，由它去承担驱动气动舵面的较大的操纵力，自己只需用很小的力就可移动操纵杆和脚蹬。

（2）电传操纵系统

机械操纵系统存在间隙、摩擦和变形等缺点，液压助力操纵系统则重量和尺寸都较大。为了改善飞机的操纵品质和减小操纵系统的重量和尺寸，又发展了电传操纵系统。

电传操纵系统将飞行员的操纵动作通过操纵杆转变为电指令信号，由电缆传输到信号处理系统处理后，控制执行机构和助力器（如液压舵机、电动舵机）输出力和位移，操纵气动舵面来驾驶飞机。由于是用电缆代替操纵系统的传动机构和液压助力操纵系统的液压管路传递操纵信号，因而得名电传操纵系统。

电传操纵系统主要由电子器件构成，属于机载设备范畴。电传操纵系统包括驾驶杆、杆力传感器（或杆位移传感器）、信号放大器、信号综合处理和余度管理计算机、飞行参数传感器（如高度、速度传感器等）、执行机构与助力器等部件（图3）。

由于操纵指令要通过许多元器件，因此相对机械操纵系统而言，电传操纵系统故障概率要高一些。为了提高可靠性，目前主要采用余度技术。所谓余度技术，是指在同一架航空器上并行着三套（或四套）相同（或相似）的电传操纵装置，通过计算机软件把它们组合在一起，形成几个操纵通道。几套装置同时工作、互相监测，发现故障自动并隔离有故障的通道，其余通道则继续正常工作，保持原有的操纵性能，从而提高了系统的可靠性。

2.飞机的自动控制系统

电传操纵系统的出现，使得发展自动驾驶仪成为可能。自动驾驶仪不仅可以代替驾驶员操纵飞机，还可以对飞机进行增稳、提高其飞行性能和避免危险飞行等。自动驾驶系统是现代飞行器的主要机载设备。军用歼击机、轰炸机，民用客机、运输机，航天飞机、飞船等均采用了自动驾驶系统，代替驾驶员完成一定的飞行任务。而无人驾驶飞机则完全由自动驾驶系统根据预先给定的程序飞行。自动驾驶系统能够帮助飞行员完成预定的航线飞行；完成复杂气象条件下的自动起飞、着陆；还可在其它导航系统的协助下，完成如地形跟踪等难度较大的特殊飞行任务。

为了介绍自动驾驶仪的工作原理，下面以飞机的等速直线飞行为例，说明飞行员操纵飞机俯仰运动的过程。所图4所示，飞行员通过眼睛观察地平仪或座舱外景物来判断飞机俯仰姿态的变化。如果飞机偏离水平状态，飞行员用手操纵驾驶杆，由传动系统将驾驶杆的运动传递到升降舵；升降舵的偏转引起飞机俯仰力矩变化，使其恢复到水平状态。在这个过程中，飞行员要根据姿态角的变化不断改变驾驶杆量，调整升降舵，使飞机保持水平飞行状态。

采用自动驾驶仪代替飞行员时，它会模仿飞行员的驾驶过程，用测量姿态角的敏感元件代替飞行员的眼睛，判断飞机偏离给定姿态角的情况，然后传输给综合放大装置（代替飞行员的大脑）进行运算处理，并结合飞机当时的其它飞行参数（速度、高度等）给出合理的操纵指令，并传达给执行装置（用以代替飞行员的手和脚）直接操纵舵面，使飞机回到给定的飞行姿态。

自动驾驶仪主要包括敏感元件、综合放大装置、执行装置三个部分，以及人工操纵指令输入装置。在自动驾驶仪工作过程中，驾驶员可输入飞行参数（速度、高度、航向等），以便自动驾驶仪按照给定的参数操纵飞机飞行。飞行员也可随时中断自动驾驶仪的操纵，改为人工操纵飞行（图5）。

自动驾驶仪不仅能在长时间的巡航飞行中使用，还能在起飞和着陆过程中使用。现代无人机从起飞到任务飞行再到着陆都可进行自动驾驶。舰载无人机还可利用自动驾驶仪自主着舰并挂上拦阻索。着陆是飞行中一个非常重要的阶段，飞行员必须在很短的时间内完成许多要求很高的操作，特别是在机场区域能见度不良的情况下，如云层低，有雾、雨及夜间等目视识别困难或完全不能识别时，采用自动驾驶仪自主着陆或辅助驾驶员着陆，可以大大提高飞机的着陆安全。

3.航模级小型无人机的

飞行控制系统

航模级小型无人机上使用的飞行控制系统（也称自驾仪或飞控），原理上与上面介绍的相同，只是系统的尺寸和重量更小、也更简化。

国外小型无人机及其飞控技术发展较早，目前己有十几种较成熟的飞行控制系统产品，有些精度己达战术级无人机的水平。典型的产品有：美国的AP50系列、Piccolo系列（图6），加拿大的MP2028、MP2128系列（图7），以及由瑞士苏黎世联邦理工大学实验室和一些优秀个人组成的团队开发并更新的APM开源飞行控制系统（图8）。

国内近年来在小型无人机的飞行控制系统方面取得了很大的进展，多个公司拥有自己的品牌产品，如：零度智控公司出品的"双子星”（GEMINI）多旋翼飞控（图9）、YS09固定翼飞控，大疆公司出品的WooKong系列多旋翼飞控，普洛特公司出品的UPx系列飞控。

这些产品采用低功耗的运算处理器，集成有GPS、气压高度计、三轴惯性器件、双轴磁力计等多种传感器，并提供标准的舵机接口（控制油门、升降、方向、副翼、伞降的舵机）和地面站通信接口，完全能够满足小型无人机所需要的主要功能：稳定飞行器、导航和任务控制。（未完待续）