无人机飞行控制系统设计工程

张剑锋 (西安爱生技术集团公司)

无人机飞行控制系统设计是多学科综合优化的设计过程，是无人机系统软件实现的理论基础和设计依据。高品质的飞行控制系统是现代高性能无人机实现安全飞行和完成复杂飞行任务的重要保证，是无人机系统设计技术中不可缺少的重要环节。

近年来随着航空技术的快速发展，无人机承担的任务使命逐步增加，飞行控制系统开始向着航空综合化系统的方向发展，它把飞行控制、火力控制、目标探测、导航系统等综合，使得这些系统能够更好的协同工作以完成飞行任务。同时，飞控系统的规模也越来越大，系统结构、功能、行为以及数据交联关系也越来越复杂，已经发展成为一种涉及机械、电子、液压和软件等多个学科的复杂系统。

系统组成及工作原理

飞行控制系统包括飞控计算机和实现飞行控制律的功能软件，它是无人机自动驾驶仪的重要组成部分，担负着飞行控制、飞行管理、定位与导航、起降控制、数据链设备控制与管理、任务设备控制与管理、机载设备故障诊断与处理等多项重要任务。

自动飞行控制的基本原理是应用自动控制理论中的“反馈控制”理论，而为了满足飞行安全性和完成飞行任务的目标要求，飞行控制系统完成的基本任务主要有改善飞行品质、协助航迹控制、全自动航迹控制、监控和任务规划等。

一般来说，无人机的控制系统性能品质和稳定性可以参照有人驾驶飞机的飞行控制系统国家军用标准的通用规范，如GJB185-86。对不同的飞机，其控制系统的要求也不同，但是实现姿态稳定则是各种飞机自动飞行控制的最基本要求，目前技术条件下无人机主要控制方式有遥控控制、程序控制、人工干预控制等。随着人工智能技术的进步，无人机未来也可能采用自主控制等，可以根据任务要求进行飞行航迹的智能化规划和决策。

（左）坐标系与姿态角。

无人机飞行控制系统设计方法

总结飞行控制设计技术的发展历程可以发现、到目前为止经历了以文档为中心和以模型/文档混合为中心的两个阶段。

（右）数字仿真验证流程。

以文档为中心的设计方法

以文档为中心设计方法是过去相当长一段时间内飞行控制系统设计采用的主要方法，它一方面是指设计过程中各阶段的设计成果以文档形成呈现并在各阶段之间传递，另一方面也表示该方法中各阶段得信息加工处理以手工方式为主，缺乏必要的计算机辅助设计和验证手段。在传统的飞行控制系统研制中，设计过程和测试过程相对独立，设计人员只能等到原理样机实现后才能对设计方案进行测试和验证，并根据测试结果返回设计阶段进行更改。该方法存在的缺点和不足主要有系统方案表达方式落后、设计建模语言种类繁多，不便于设计人员之间沟通、信息孤岛现象严重、缺乏有效的仿真验证手段和快速反应能力等。

以上缺点和不足使得采用传统设计方法的飞行控制系统研制是一种基于原理样机的研制，即设计人员只能通过不断设计、制造原理样机并基于原理样机进行各类测试和仿真试验来完成飞行控制系统研制，由此导致研制周期长、研制费用大。

飞控系统的硬件设备集成度越来越高。

以文档/模型混合为中心的设计方法

随着计算机技术和建模仿真技术的飞速发展，各类CAX技术开始出现并由此产生一些新的系统设计理念和方法。如机械系统设计领域的虚拟样机（VP）技术，控制系统设计领域的Matlab/Simulink技术等。基于文档/模型的设计方法，可以对设计方案进行充分的分析、测试和评估，消除其中可能存在的歧义和错误，避免等到原理样机实现后才方法这些错误再进行修改而造成的损失。飞行控制系统的设计阶段和实现阶段之间传递的不再是非形式化的文档，而是面向实现的形式化模型，飞控系统设计实现了从以文档向文档/模型为中心的转变。

无人机飞行控制专业发展

机载计算机技术

随着微电子和计算机技术的发展，国内外无人机机载计算机从功能上经历着分散、综合的交替，最终向着综合化发展；体系结构也根据不同的需求从单余度到五余度不等；处理器也从单片机、DSP、ARM、SOC到X86、POWER PC；总线有1553B、429、485、422、232、CAN等；操作系统有Unix、μC/OS-Ⅱ、DOS、Vx works、Linux等。

伺服与结构技术

国内外中小型无人机绝大多数都使用电动伺服系统。国内目前成熟的无人机伺服舵机大都采用有刷直流电机做驱动源，采用直齿减速器或谐波齿轮减速器作为执行机构，采用电位计做为舵面位置反馈传感器，采用测速发电机作为速度反馈传感器，伺服放大器多为模拟控制驱动方式，舵机的实际寿命一般不足2000小时。随着新技术和新产品的不断发展，先进电动伺服系统在性能上向高精度、高效率、高可靠性和高适应性发展；在功能上向小型化、轻型化、多功能方向发展。

电气与保障技术

国外采用电气多路传输技术的自动配电系统已经成熟，并在多种飞机上得到使用。国内中小型无人机采用混合式供电和集中供电两种方式，自动配电系统的开发与应用技术是中小型无人机供电系统的发展方向。

测量与测试技术

测量专业中，国外元件级敏感器件起步早，智能化、微型化、多传感器综合技术成为传感器发展的趋势。国内元件级敏感器件发展比较晚，基础相对比较薄弱。高精度、高可靠性、微型化成为国内敏感器件的主要研究方向，而集成度高、智能化的传感器网络也成为近些年传感器发展的新热点。

测试专业发展初期以自动化、系统化测试为主。随着计算机技术和嵌入式技术的发展，测试领域逐渐向便携式、智能化的方向发展，同时依托专家系统、故障诊断等技术，发展成各式各样的ATS（智能测试系统）。

实时仿真系统结构。

无人机飞行控制律设计过程

开发的输入与输出

开发输入包括无人机系统涉及的平台级和系统级对控制律的需求、飞行器的气动数据（含铰链力矩数据）、重量特性和惯性特性数据、发动机仿真模型、传感器以及伺服舵系统模型等。开发输出包括以Matlab/Simulink形式表述的飞行控制律仿真模型，以及以文档形式描述的控制律详细需求和设计结果。

控制律设计方法

控制律的设计方法主要有以下几种：经典控制方法，包括根轨迹，频域Bode图等；现代控制方法，包括极点配置，LQR等；鲁棒控制方法，包括H2控制，Hinf，mu控制等；智能控制方法，包括神经网络，遗传算法等。在进行控制律设计之前，首先要进行参考坐标系的选择，这也是控制律设计的基础。

控制律开发实施过程

开发实施过程首先是对控制律开发的工作分解，即把控制律分解到功能模块，每个功能模块有飞控设计人员独立进行设计需求描述、建模、仿真验证等。最后全部设计完成的飞行控制律需要在6DOF非线性模型上进仿真验证，确认设计结果对系统需求表达的正确性、完整性和符合性。飞行控制律开发与实现过程中，要考虑以下几个问题：气动数据处理与性能计算、系统建模语言与控制律设计方法、控制律中非线性环节的离散化、控制律切换时刻控制信号的处理、飞行控制律的评估与确认，以及飞行控制软件架构等。

数字仿真

仿真验证是设计中必不可少的重要环节，用于验证设计结果的正确性和有效性，从而及时发现设计中存在的问题，实现快速设计迭代。顶层设计建模和全数字仿真是一个快速循环反复迭代的过程，通过数字仿真的手段，可以有效的保证顶层设计的有效性。

系统验证

地面仿真验证是无人机在飞行试验前的重要环节，充分的地面仿真对型号降低成本、缩短周期、降低飞行风险的价值不可估量。基于高精度飞机模型的仿真系统能够让无人机在实验室中“飞”起来。具体来说地面仿真验证可以达到如下效果：验证航电设备之间的接口正确性、功能正确性；验证飞行控制律设计的正确性；验证机载软件实现的正确性与可靠性；考核飞行控制系统的鲁棒性；接近真实的飞行操纵模拟与操纵人员的培训。

一般来说，仿真验证环境包括如实时仿真机、故障模拟系统、视景显示系统、模拟器（位置模拟、姿态模拟、高度/速度模拟等）等设备。西安爱生技术集团公司已开发了便携式、机柜式等系列化的地面仿真验证系统，并已经广泛应用在多个无人机型号研制过程中。 ■