無人駕駛直升機(jī)創(chuàng)新科技論文
無人駕駛直升機(jī)創(chuàng)新科技論文
無人直升機(jī)(VTOL)，是指由無線遙控設(shè)備或飛行程序控制裝置操縱的非載人軍用直升機(jī)。學(xué)習(xí)啦小編整理的無人駕駛直升機(jī)創(chuàng)新科技論文，希望你能從中得到感悟!
無人駕駛直升機(jī)創(chuàng)新科技論文篇一
無人武裝直升機(jī)火力控制系統(tǒng)技術(shù)分析
摘 要：該文結(jié)合無人武裝直升機(jī)的作戰(zhàn)任務(wù)，給出其火控系統(tǒng)功能、組成和結(jié)構(gòu)框架，對(duì)相關(guān)火控關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，提出在該領(lǐng)域應(yīng)重點(diǎn)開展的研究項(xiàng)目，用于支持未來無人武裝直升機(jī)火控系統(tǒng)的研制和作戰(zhàn)使用。
關(guān)鍵詞：無人武裝直升機(jī) 火力控制 關(guān)鍵技術(shù)
中圖分類號(hào)：V 271.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：：A 文章編號(hào)：1674-098X(2013)03(c)-00-03
軍用無人直升機(jī)(VTOL)，是指由無線遙控設(shè)備或飛行程序控制裝置操縱的非載人軍用直升機(jī)。它不僅擁有同“捕食者”、“全球鷹”等固定翼無人機(jī)相近的功能，而且由于起降便捷、機(jī)動(dòng)性好，作戰(zhàn)用途更加廣泛，具有非?？捎^的發(fā)展前景和作戰(zhàn)潛力。目前，全世界約有十幾種無人直升機(jī)在軍中服役，廣泛運(yùn)用于偵察監(jiān)視、通信中繼、掃雷測(cè)繪等方面。隨著技術(shù)的發(fā)展，火力強(qiáng)、載彈量大、具備對(duì)空、對(duì)地攻擊能力，可與現(xiàn)役武裝直升機(jī)共同參與作戰(zhàn)的無人武裝直升機(jī)(又稱無人武裝作戰(zhàn)旋翼飛機(jī)，UCAR)正逐漸成為陸軍武器裝備的研究重點(diǎn)之一。
該文通過對(duì)國(guó)外無人武裝直升機(jī)(UCAR)相關(guān)研究計(jì)劃進(jìn)行技術(shù)分析，給出我國(guó)未來發(fā)展的無人武裝直升機(jī)(UCAR)武器火控系統(tǒng)的設(shè)備組成、技術(shù)研究?jī)?nèi)容，可供項(xiàng)目決策使用。
1 國(guó)外研究情況
美國(guó)非常重視無人武裝直升機(jī)(UCAR)研制工作，已引起了世界關(guān)注美國(guó)陸軍與美國(guó)國(guó)防部高級(jí)預(yù)研計(jì)劃局(DARPA)于2002年5月啟動(dòng)了無人武裝直升機(jī)(UCAR)項(xiàng)目。按照預(yù)想，UCAR要成為美陸軍航空兵自直升機(jī)服役以來最革命性的裝備。武裝直升機(jī)與無人駕駛旋翼機(jī)的聯(lián)合作戰(zhàn)已引起軍用直升機(jī)作戰(zhàn)理論的重大變革。
1.1 美軍UCAR概念
美軍UCAR系統(tǒng)組成描述如下：UCAR平臺(tái)與有人駕駛直升機(jī)相近的白天/夜間、復(fù)雜氣象條件下的飛行能力(速度、距離、續(xù)航時(shí)間);可全球快速部署;模塊化的有效載荷;增強(qiáng)的戰(zhàn)場(chǎng)抗損性;經(jīng)濟(jì)可承受(飛行費(fèi)用、訓(xùn)練維護(hù)費(fèi)用);有一定的擴(kuò)展能力。指揮與控制：可由地面與空中的多種平臺(tái)(包括有人駕駛直升機(jī)、車輛、UAV)指揮與控制;平臺(tái)自主任務(wù)規(guī)劃(包含實(shí)時(shí)重規(guī)劃);自動(dòng)任務(wù)操作(偵察、攻擊);與有人駕駛直升機(jī)協(xié)同作戰(zhàn);低高度自主飛行。傳感器：白天/夜間、復(fù)雜氣象條件下完成：多譜目標(biāo)探測(cè);分布式合作目標(biāo)探測(cè);BDA、IFF;遠(yuǎn)距目標(biāo)識(shí)別;高可靠性。武器分為：導(dǎo)彈、火箭彈、炮致命性武器及非致命性武器。
1.2 用途及功能
UCAR的設(shè)計(jì)用途及功能如下：目標(biāo)偵察;空中監(jiān)視;雷區(qū)探查;對(duì)敵攻擊;戰(zhàn)損評(píng)估;電子對(duì)抗。
1.3 用戶需求
美陸軍在UCAR項(xiàng)目中需要弄明白的問題包括：UCAR將把何種能力帶入戰(zhàn)場(chǎng)，該系統(tǒng)將如何管理，滿足攻擊、偵察、瞄準(zhǔn)和通信中繼需要的UCAR是多用途平臺(tái)還是專門任務(wù)平臺(tái)等。在項(xiàng)目論證階段，美陸軍首先要求UCAR必須達(dá)到的技術(shù)完備等級(jí)(TRL)為7級(jí)。
1.4 發(fā)展思路
DARPA認(rèn)為，UCAR代表著美國(guó)無人機(jī)未來的發(fā)展。UCAR的使用環(huán)境設(shè)想是在適合于陸軍的低空環(huán)境，比UCAV(無人戰(zhàn)斗機(jī))復(fù)雜得多。與UCAV相比，UCAR側(cè)重于驗(yàn)證一名操控人員操作多架無人機(jī)的概念。結(jié)合用戶需求，DAAPA在UCAR項(xiàng)目中，要求驗(yàn)證：UCAR的戰(zhàn)場(chǎng)生存力，特別是低空?qǐng)?zhí)行任務(wù)時(shí);要求該機(jī)既要買得起也要用得起;與美陸軍其他有人駕駛和無人駕駛裝備的互操作能力;能自主地進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃和協(xié)同作戰(zhàn);具有實(shí)時(shí)識(shí)別并摧毀目標(biāo)的能力。
UCAR技術(shù)上的挑戰(zhàn)在于自主性。“完全自主”指的是不需要人的輸入就能執(zhí)行任務(wù)并決策，如果環(huán)境發(fā)生變化，還能根據(jù)變化來決定如何行動(dòng)。但UCAR肯定達(dá)不到完全自主，它將是半自主的。出于技術(shù)完備性要求的考慮，UCAR項(xiàng)目驗(yàn)證的只是有人駕駛系統(tǒng)的輔助;在中長(zhǎng)期，應(yīng)能按預(yù)先設(shè)定的程序半自主地完成任務(wù);而在遠(yuǎn)期(2020―2025年以后)，則應(yīng)該能從頭至尾完全自主地完成任務(wù)，當(dāng)然仍需要人員的監(jiān)控。
1.5 項(xiàng)目要求
UCAR整個(gè)項(xiàng)目計(jì)劃初步分為概念論證、設(shè)計(jì)評(píng)估、系統(tǒng)研制和系統(tǒng)成熟等四個(gè)階段，希望通過8年時(shí)間達(dá)到預(yù)期的技術(shù)成熟階段，項(xiàng)目結(jié)束時(shí)要求技術(shù)成熟到可以轉(zhuǎn)入全尺寸系統(tǒng)的開發(fā)與演示(SDD)階段，最終發(fā)展成為一種具有垂直起降、自主操作和指揮控制能力的飛行器。
第一階段波音、洛克希德・馬丁/貝爾直升機(jī)、諾斯羅普・格魯門及西科斯基/雷神4個(gè)小組各獲得一份300萬美元的合同，為期一年。該階段要求開展結(jié)構(gòu)開發(fā)、權(quán)衡研究、風(fēng)險(xiǎn)降低方案設(shè)計(jì)和性能定義。第一階段結(jié)束時(shí)將選出兩個(gè)小組進(jìn)入第二階段。美國(guó)陸軍在第一階段合同中沒有給出很詳細(xì)的要求，只是提出了最高目標(biāo)，共有4條：UCAR能全球使用;能在居民區(qū)上空安全使用;從空中和地面都能指揮與控制;使用JP8燃油。經(jīng)評(píng)估，洛・馬公司和諾・格公司進(jìn)入U(xiǎn)CAR計(jì)劃的第二階段，主要從事設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化及評(píng)估。此時(shí)，DARPA對(duì)UCAR計(jì)劃又增加了一項(xiàng)新的要求，即UCAR必須達(dá)到90%或更高的可用度。第二階段將持續(xù)9個(gè)月，將完成初步設(shè)計(jì)評(píng)估。按照第二階段的合同，合同商必須制造出地面原型機(jī)和完成幾項(xiàng)驗(yàn)證，包括生存性和有人/無人編隊(duì)驗(yàn)證等。最后選出一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)小組進(jìn)入第三階段。第三階段是系統(tǒng)開發(fā)階段，約持續(xù)兩年，其間將完成關(guān)鍵設(shè)計(jì)評(píng)審，有兩架驗(yàn)證機(jī)同時(shí)進(jìn)行試飛計(jì)劃。第四階段為系統(tǒng)成熟階段，其間將有第三架驗(yàn)證機(jī)加入試飛。
1.6 技術(shù)關(guān)鍵
DARPA列出的UCAR的關(guān)鍵技術(shù)有：
(1)有人機(jī)/無人機(jī)聯(lián)合作戰(zhàn)系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)技術(shù)。UCAR采用的是一名操控人員(可以在空中，也可以在地面)操作多架UCAR的聯(lián)合作戰(zhàn)模式，系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮充分發(fā)揮有人機(jī)、無人機(jī)的性能特點(diǎn)，盡量讓UCAR執(zhí)行高危險(xiǎn)性的任務(wù)，盡量降低有人平臺(tái)的危險(xiǎn)性。 (2)自主地在低空飛行、工作并生存。美陸軍所指的低空是離地150 m，當(dāng)今的無人機(jī)還沒有飛這么低的，由此帶來的難題是如何與其他無人機(jī)和有人駕駛飛機(jī)聯(lián)絡(luò)，以及如何規(guī)避地面障礙物等。可能解決辦法是采納一組被動(dòng)的地形和態(tài)勢(shì)感知輔助措施，并利用現(xiàn)有的主動(dòng)規(guī)避系統(tǒng)技術(shù)。
(3)必須在目標(biāo)識(shí)別和時(shí)敏目標(biāo)攻擊方面有大的提高。UCAR的關(guān)鍵技術(shù)是目標(biāo)識(shí)別，要求其提供的目標(biāo)圖像的效果要求比目前的無人機(jī)系統(tǒng)更好。目標(biāo)截獲將通過多種類型的傳感器來實(shí)現(xiàn)，這些傳感器可能是UCAR本身攜載的，也可以是來自其他系統(tǒng)。DARPA設(shè)想U(xiǎn)CAR的傳感器系統(tǒng)為模塊式的，可以根據(jù)任務(wù)需要隨時(shí)更換，其攜載的武器包括空射導(dǎo)彈、火箭和槍炮。盡量縮短從“信息鏈”到“火力鏈”的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)時(shí)敏打擊。
(4)尋求高智能化的自主任務(wù)系統(tǒng)技術(shù)，能在執(zhí)行任務(wù)途中改變?nèi)蝿?wù)。在UCAR中，人的作用是制訂任務(wù)和武器投放，處在監(jiān)督的位置，但不是中心的位置。完成該項(xiàng)功能要求的核心是以綜合任務(wù)計(jì)算機(jī)為核心的先進(jìn)而完備的電子系統(tǒng)為依托，通過智能化自主控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)直升機(jī)任務(wù)控制、操縱、維護(hù)的自動(dòng)化，從而大大減輕有人機(jī)操作人員的工作負(fù)荷，提高操縱功效和作戰(zhàn)能力。例如，在進(jìn)行偵察時(shí)，高智能化的自主任務(wù)系統(tǒng)能自動(dòng)地進(jìn)行全方位搜索和探測(cè)，并自動(dòng)顯示、記錄、報(bào)告;偵察發(fā)現(xiàn)高價(jià)值目標(biāo)時(shí)，可自動(dòng)完成綜合飛行/火力控制，實(shí)現(xiàn)時(shí)敏打擊;任務(wù)目標(biāo)更換時(shí)，能夠自動(dòng)做相應(yīng)的任務(wù)規(guī)劃、導(dǎo)航、攻擊操作，包括自主航跡規(guī)劃、自主飛行控制、自動(dòng)資源管理與分配等方面;當(dāng)有攻擊導(dǎo)彈來襲時(shí)，安全系統(tǒng)就會(huì)立即報(bào)警，同時(shí)顯示來襲目標(biāo)的性質(zhì)、方位、距離和應(yīng)采取的對(duì)抗方式;故障顯示系統(tǒng)則可自動(dòng)診斷出電子系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的故障，甚至能預(yù)報(bào)即將發(fā)生的故障，并顯示出應(yīng)采取的防范措施。
(5)技術(shù)在采購(gòu)、使用、支援、作戰(zhàn)損耗等方面都要花費(fèi)得起。UCAR購(gòu)機(jī)成本要控制在”科曼奇”的20%～40%，使用和支援成本要比”阿帕奇”低50%～80%，初步估測(cè)價(jià)格在400萬～800萬美元。UCAR還必須留有系統(tǒng)升級(jí)的空間，因?yàn)樵摍C(jī)計(jì)劃服役20～30年，比如可能會(huì)配裝定向能武器。對(duì)隱身性能在UCAR項(xiàng)目中未作專門要求，但要求具有高度的戰(zhàn)場(chǎng)生存力。UCAR的非作戰(zhàn)損耗率必須提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。目標(biāo)是使UCAR的系統(tǒng)可靠性提高到能得到美國(guó)聯(lián)邦航空局的批準(zhǔn)而在民航管制空域飛行。
(6)有條件地尋求隱身化，以保持最低可探測(cè)性。除采用傳統(tǒng)雷達(dá)隱身技術(shù)外，還具有紅外隱身、激光隱身和聲隱身，無疑使其具有獨(dú)特的隱身性能。
2 無人武裝直升機(jī)(UCAR)武器火控系統(tǒng)技術(shù)方案設(shè)想
2.1 系統(tǒng)組成
UCAR作戰(zhàn)系統(tǒng)由指揮與控制平臺(tái)(可以是有人駕駛直升機(jī)、地面控制站)、固定翼無人機(jī)(UAV)與無人武裝直升機(jī)(UCAR)組成。該系統(tǒng)由有人駕駛直升機(jī)或地面控制站來完成作戰(zhàn)指揮控制，一名操控人員可操作多架UCAR，對(duì)目標(biāo)的偵察、定位由一架UCAR或多架UCAR聯(lián)合完成，也可由UCAR與UAV聯(lián)合完成;對(duì)目標(biāo)的攻擊由操控人員指揮UCAR完成，整個(gè)系統(tǒng)所攜帶的武器由操控人員統(tǒng)一管理和控制，指揮與控制平臺(tái)可以通過聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)UAV/UCAR指揮引導(dǎo)、控制任務(wù)。這其中：
(1)有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)，每一架UCAR都有一定的自主性，可根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)和指令調(diào)整任務(wù)操作計(jì)劃，可執(zhí)行“時(shí)敏”打擊任務(wù);
(2)UCAR具備一定自主能力，能夠根據(jù)指令有選擇地投入作戰(zhàn)，可以根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)做出幾種不同的選擇：一種是保護(hù)自身，即UCAR在面對(duì)威脅自身的目標(biāo)時(shí)，將能夠選擇躲避或者交戰(zhàn);一種是保護(hù)編隊(duì)，即UCAR將與威脅任何一架飛機(jī)的目標(biāo)交戰(zhàn)，甚至犧牲自身來保護(hù)有人駕駛飛機(jī);再一種是保護(hù)友方，即UCAR將與威脅友方部隊(duì)的目標(biāo)直接交戰(zhàn)。
(3)允許實(shí)行傳感器組網(wǎng)探測(cè)，其他的有人或無人駕駛作戰(zhàn)單位與UCAR其配合，通過傳感器相互傳輸信息，為指揮者提供審視戰(zhàn)區(qū)內(nèi)作戰(zhàn)地區(qū)及鄰近區(qū)域的更廣闊視野;
(4)每一架無人直升機(jī)都裝備一系列的模塊化傳感器，使它們?cè)趫?zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)更容易目標(biāo)識(shí)別，即使是在激烈交戰(zhàn)的情況下，也能識(shí)別敵我情況。
2.2 UCAR武器火控系統(tǒng)組成
UCAR武器火控系統(tǒng)由下列設(shè)備組成。
(1)智能化的核心任務(wù)處理計(jì)算機(jī)(MC)。MC用于對(duì)傳感器信息(機(jī)內(nèi)、機(jī)外)和其他系統(tǒng)(如飛控、發(fā)動(dòng)機(jī)、環(huán)控等)的信息進(jìn)行融合處理;任務(wù)規(guī)劃和危險(xiǎn)評(píng)估;產(chǎn)生編隊(duì)控制、火力和飛行控制指令;壓縮加密向控制站傳輸?shù)男畔⒑徒鈮?、解密、解釋控制站的指?狀態(tài)檢測(cè)、根據(jù)相關(guān)任務(wù)和當(dāng)時(shí)情況進(jìn)行機(jī)載設(shè)備重構(gòu)。
(2)模塊化的目標(biāo)探測(cè)傳感器。目標(biāo)探測(cè)傳感器包括雷達(dá)、多光譜綜合光電傳感器、激光雷達(dá)、光電/電子告警設(shè)備等，傳感器可單獨(dú)使用，也可與其他UCAR傳感器聯(lián)合組網(wǎng)使用。
(3)低成本、小型高精度導(dǎo)航定位系統(tǒng)。包括獲得本機(jī)信息的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS和大氣傳感系統(tǒng)。
(4)高可靠、標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。用于UCAR與控制站之間的上傳和下傳信息，以及UCAR之間的信息交換。
(5)外掛物管理系統(tǒng)。管理、快速發(fā)射制導(dǎo)、非制導(dǎo)武器。
(6)先進(jìn)的電傳飛行控制系統(tǒng)?？芍С挚焖偃蝿?wù)重規(guī)劃的飛行航跡控制和低空飛行的地形規(guī)避/跟隨飛行控制，同時(shí)可有效地執(zhí)行綜合火力/飛行控制指令，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)機(jī)動(dòng)攻擊。
(7)制導(dǎo)武器/非制導(dǎo)武器。
2.3 UCAR武器火控技術(shù)需求分析
UCAR武器火控系統(tǒng)的設(shè)備和技術(shù)可借鑒有人駕駛武裝直升機(jī)和固定翼無人機(jī)的相關(guān)技術(shù)，但UCAR的特定作戰(zhàn)模式和任務(wù)需求，給UCAR武器火控系統(tǒng)技術(shù)提出了新的課題。
2.3.1 機(jī)群編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)技術(shù)
UCAR火控系統(tǒng)的核心技術(shù)之一是一種協(xié)同無人/有人駕駛飛機(jī)執(zhí)行任務(wù)的技術(shù)，即多架UCAR與有人直升機(jī)組成編隊(duì)來實(shí)現(xiàn)探測(cè)、發(fā)現(xiàn)和攻擊目標(biāo)的技術(shù)。通過UCAR智能化任務(wù)管理技術(shù)和分布式指揮控制，使UCAR機(jī)群具有自主協(xié)作能力，允許有人駕駛直升機(jī)在執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的同時(shí)指揮UCAR，并未失去原有的作戰(zhàn)能力。 有人駕駛直升機(jī)飛行員擔(dān)任了空中任務(wù)指揮官的角色(負(fù)責(zé)如規(guī)劃任務(wù)、制定限制條件和交戰(zhàn)規(guī)則，并把最高級(jí)別的任務(wù)劃分成幾個(gè)部分后分配給每架UCAR，監(jiān)控UCAR、做出投放武器的決定，同時(shí)可以監(jiān)視自己的傳感器和使用自己的武器)，與一個(gè)編隊(duì)的UCAR相互溝通(UCAR在發(fā)現(xiàn)威脅目標(biāo)后及時(shí)發(fā)出警告及目標(biāo)的重要程度級(jí)別，這樣操作員可以迅速地獲得頻率、強(qiáng)度和方向的提示，以便加強(qiáng)態(tài)勢(shì)感知能力)。UCAR編隊(duì)推薦一個(gè)“領(lǐng)隊(duì)”作為與有人飛機(jī)之間相互聯(lián)系的中心節(jié)點(diǎn)，在執(zhí)行任務(wù)過程中，“領(lǐng)隊(duì)”角色可以相應(yīng)改變。如果一架UCAR不得不返回，它將無縫地將所承擔(dān)的任務(wù)給其他的“伙伴”。同時(shí)，編隊(duì)的其他成員也承擔(dān)起另外一些主導(dǎo)作用，包括與外部信息系統(tǒng)交互作用、為編隊(duì)產(chǎn)生可以利用的信息數(shù)據(jù)。UCAR將具有聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分布系統(tǒng)(包括有人駕駛偵察飛機(jī)、UAV的雷達(dá)數(shù)據(jù))中獲取信息，也能發(fā)回信息到信息網(wǎng)中。
指揮官向UCAR發(fā)出指令后，UCAR可以及時(shí)做出相應(yīng)的回答。例如，指揮官可以命令UCAR飛向“紅色區(qū)域”、進(jìn)行偵察、除了遭到攻擊否則不要發(fā)射武器、在特定時(shí)間報(bào)告情況、一直在指定空域徘徊等。UCAR將發(fā)現(xiàn)和識(shí)別一個(gè)目標(biāo)，將信息傳遞給指揮人員，要求重新計(jì)劃下一步任務(wù)，從指揮人員獲得命令并予以執(zhí)行。指揮官總是處于決策回路中，但并不是編隊(duì)所采取的每一個(gè)行動(dòng)都需要批準(zhǔn)。
2.3.2先進(jìn)機(jī)載探測(cè)傳感器技術(shù)和信息融合技術(shù)
為了更加有效地執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)，UCAR一般在有人直升機(jī)的前面飛行，能夠到達(dá)飛行員不敢到達(dá)的更低高度，從而獲得更好的戰(zhàn)場(chǎng)視野，甚至能更接近于威脅目標(biāo)。由于要求UCAR必須能夠在距離地面大約5 m的高度以110-180公里/時(shí)的速度掠地飛行，因此UCAR面臨著如何自主規(guī)避障礙物的關(guān)鍵問題，即避免UCAR與諸如山丘、樹木、高壓線之類的低空障礙物相撞，并且又能在探測(cè)威脅目標(biāo)的同時(shí)避免被地面武器射中等問題。
為此，UCAR可攜帶5種不同功能的傳感器，包括用于合成孔徑雷達(dá)(SAR)對(duì)地成像和移動(dòng)目標(biāo)指示(MTI)的毫米波雷達(dá)，用于發(fā)射器識(shí)別的電子支援設(shè)備，用于瞄準(zhǔn)的光電/紅外瞄準(zhǔn)裝置，用于目標(biāo)識(shí)別的激光雷達(dá)和一個(gè)激光測(cè)距機(jī)/目標(biāo)指示器。這些傳感器將高度地融合各種信息數(shù)據(jù)，建立起一個(gè)空中環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)，UCAR的自主飛行控制系統(tǒng)采用這些數(shù)據(jù)對(duì)無人機(jī)的飛行速度、高度等進(jìn)行調(diào)整，以避免空中碰撞。同時(shí)，UCAR可以從地面干擾中識(shí)別出各種目標(biāo)。UCAR的機(jī)載核心任務(wù)處理機(jī)接收到來自障礙規(guī)避系統(tǒng)的信息后，發(fā)出指令采取相應(yīng)的躲避行動(dòng)。
由于每種飛行器都具有同樣的搭載傳感器的能力，無人機(jī)編隊(duì)可以從多個(gè)途徑搜索目標(biāo)，因此，這不僅是在一架UCAR上進(jìn)行多傳感器融合，而且還要實(shí)現(xiàn)與編隊(duì)其他成員之間多數(shù)據(jù)的融合。通過采用多傳感器融合和自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)(ATR)，UCAR將把目標(biāo)圖像“碎片”發(fā)送給任務(wù)指揮官，組合成為一幅完整的圖像。
2.3.3 高度智能化的UCAR自主任務(wù)處理技術(shù)
UCAR在編隊(duì)作戰(zhàn)時(shí)，武器火控系統(tǒng)有一定的自主性，是通過高度智能化的技術(shù)來支撐的。用來完成：
首先在指揮員的確認(rèn)下，完成攻擊/防御決策自動(dòng)化。包括態(tài)勢(shì)評(píng)估和態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)、選擇作戰(zhàn)行動(dòng)方案，偵察/作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃形成引導(dǎo)狀態(tài)、最佳化判據(jù)、指定攻擊目標(biāo)、駕駛方法等控制目標(biāo)。
其次完成戰(zhàn)術(shù)和軌跡生成自動(dòng)化。包括建立、指定、選擇或?qū)ふ绎w行軌跡，形成作戰(zhàn)航線或飛行程序，選擇引導(dǎo)方法，指定協(xié)同作戰(zhàn)UCAR的位置。
最后實(shí)現(xiàn)控制自動(dòng)化/半自動(dòng)化。包括傳感器控制的自動(dòng)化;干擾控制的自動(dòng)化;武器發(fā)射控制由指揮員，自動(dòng)發(fā)射;通過火/飛耦合器實(shí)現(xiàn)與飛控的耦合以實(shí)現(xiàn)飛行控制的自動(dòng)化。
3 結(jié)語
該文研究了無人武裝直升機(jī)的作戰(zhàn)任務(wù)，設(shè)計(jì)了其火力控制系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)框架，分析其關(guān)鍵技術(shù)，以期對(duì)未來無人武裝直升機(jī)火控系統(tǒng)研制提供支持。
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無人駕駛直升機(jī)創(chuàng)新科技論文篇二
小型無人直升機(jī)控制及穩(wěn)定性分析
摘 要： 本文介紹了線性和非線性控制法則兩種控制律設(shè)計(jì)方法在小型直升機(jī)上的應(yīng)用，采用雙時(shí)域衡量分析方法來分析直升機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性。緊子系統(tǒng)和慢子系統(tǒng)分別用于分析直升機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)動(dòng)力學(xué)特性，緊子系統(tǒng)的穩(wěn)定性是由李亞普諾夫方程保證，同時(shí)采用反饋線性化方法穩(wěn)定控制內(nèi)回路。此外，在給出線性控制律缺點(diǎn)的同時(shí)給出了改進(jìn)后的非線性控制律，該控制律可以在無人直升機(jī)執(zhí)行大角度、快速度飛行運(yùn)動(dòng)科目時(shí)更穩(wěn)定可靠的控制直升機(jī)。
關(guān)鍵詞： 無人直升機(jī)控制; 穩(wěn)定性分析; 雙時(shí)域衡量分析; 李亞普諾夫穩(wěn)定性; 反饋線性化; 非線性控制
中圖分類號(hào)： TN911.7?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X(2014)13?0036?03
Control and stability analysis of small?size autonomous helicopters
FAN Shi?wei， XUE Dong?bin
(No. 27 Research Institute， CETC， Zhengzhou 450047， China)
Abstract： The application of design methods of both linear and non?linear control laws in small?size autonomous helicopter is introduced in this paper. A two?time scale decomposition method is used to analyze the dynamics characteristics of the helicopter. The fast subsystem ans slow subsystem are applied to analysis of the rotational and translational dynamics characteristics respectively. The stability of the fast subsystem is ensured by means of a Lyapunov equation. Furthermore， a feedback linearization technique is adopted to stabilize the control inner loop. Moreover， the drawbacks of the linear control law are pointed out and an improved nonlinear control law is proposed. This control law is able to control the helicopter when large variations occur in the orientation angle and position of the helicopter.
Keywords： autonomous helicopter control; stability analysis; two?time?domain scale analysis; Lyapunov stability; feedback linearization; nonlinear control
0 引 言
無人直升機(jī)的控制方法設(shè)計(jì)可以簡(jiǎn)要的分為以下兩個(gè)方面：基于操作手先驗(yàn)知識(shí)的方法和模擬控制方法[1]。本文以第二種設(shè)計(jì)方法為主，其中參考先驗(yàn)知識(shí)用于控制律的設(shè)計(jì)。基于直升機(jī)模型的控制方法在已發(fā)表的文獻(xiàn)中已有很多，比如：基于高階近似模型的線性魯棒控制[2]、基于模糊增益時(shí)序安排的線性控制[3]，以及基于非線性模型的預(yù)測(cè)控制等。在文獻(xiàn)[4]中綜合對(duì)比分析了線性控制和非線性控制的方法，值得注意的是在懸停狀態(tài)下，通過對(duì)非線性模型的線性化處理進(jìn)而可以采用諸如LQR和[H∞]多變量控制技術(shù)進(jìn)行控制，另一方面，非線性控制技術(shù)適用范圍更為廣泛且能夠包含更大的飛行包線，但是它需求更為精確的模型信息同時(shí)對(duì)模型更為敏感。
1 直升機(jī)模型
本文中所采用的直升機(jī)模型為文獻(xiàn)[7]中的模型。在該模型中直升機(jī)系統(tǒng)看作一個(gè)由力和力矩共同作用的剛體結(jié)構(gòu)。子系統(tǒng)和狀態(tài)及控制變量的連接關(guān)系如圖1所示。
圖1 模型中子系統(tǒng)、狀態(tài)變量和控制變量的連接關(guān)系圖
在本模型中狀態(tài)變量和輸入信號(hào)如下：
[q=PvpΘωbT=xyzvpxvpyvpz?θψωb1ωb2ωb3T] (1)
[u=TmTtabT] (2)
式中：[P]為直升機(jī)在慣性空間的位置;[Θ=?θψT]為直升機(jī)的歐拉角;力[fb]和力矩[τb]由主旋翼拉力[Tm]和縱、橫向周期變矩角([a]和[b])產(chǎn)生。尾槳系統(tǒng)可以看作是一個(gè)由尾槳推力[Tt]產(chǎn)生的純粹橫向力和反扭矩系統(tǒng)，機(jī)體坐標(biāo)和慣性坐標(biāo)系如圖2所示，其變換如下：
圖2 慣性坐標(biāo)系和機(jī)體坐標(biāo)系
作用在剛體結(jié)構(gòu)飛行器的動(dòng)力學(xué)方程的力[fb]和力矩[τb]從慣性坐標(biāo)系到機(jī)體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換方程如下：
[mI00Ivbωb+ωb×mvbωb×Iωb=fbτb] (3)
式中：[vb]是體坐標(biāo)系下的速度;[ωb]是體坐標(biāo)系下的角速度;[m]為質(zhì)量;[I]為單位矩陣，[I]為慣性矩陣，設(shè)[R(Θ)]為機(jī)體軸相對(duì)于慣性軸的轉(zhuǎn)動(dòng)矩陣(上角標(biāo)為[p])。令則剛體運(yùn)動(dòng)方程可以寫為：
[PvpΘωb=vp1mR(Θ)fbΨ(Θ)ωbI-1(τb-ωb×Iωb)] (4) 2 線性控制
上節(jié)所給出的無人直升機(jī)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)不穩(wěn)定的非線性多變量模型，該模型具有的獨(dú)立控制機(jī)構(gòu)要少于自由度數(shù)。然而，在忽略掉一些耦合因素可以得到一個(gè)簡(jiǎn)單的線性化模型。主要的輸入輸出關(guān)系見表1。
考慮表1中的輸入輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系可以設(shè)計(jì)得到如下的線性控制律：
[U=Tm=k1z+k2dzdt+k3zdtTt=k′1ψ+k′2ωb3a=k4x+k5dxdt+k6xdt+k′3θ+k′4ωb2b=k7y+k8dydt+k9ydt+k′5?+k′6ωb1] (5)
其中：
[vpx=dxdt;vpy=dydt;vpz=dzdt]
任何一種線性控制算法都可以通過調(diào)整參數(shù)[ki，][i=1，2，…，9]和參數(shù)[k′i，][i=1，2，…，6]得到，本文中筆者是在懸停狀態(tài)下的LQR控制算法完成的控制器設(shè)計(jì)，該線性控制器只適合在懸停狀態(tài)下直升機(jī)的穩(wěn)定控制，但是在大機(jī)動(dòng)飛行時(shí)不能保證直升機(jī)的穩(wěn)定性。
3 穩(wěn)定性分析及改進(jìn)線性控制律設(shè)計(jì)
直升機(jī)的穩(wěn)定性分析采用的方法是將直升機(jī)動(dòng)力學(xué)模型分解到兩個(gè)時(shí)間域內(nèi)，一個(gè)是關(guān)于轉(zhuǎn)動(dòng)的，另一個(gè)響應(yīng)相對(duì)較慢，是關(guān)于平動(dòng)的。這就使得動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的分析更為簡(jiǎn)單，也就是說兩個(gè)包含著兩個(gè)周期域內(nèi)的分解子系統(tǒng)。因?yàn)橹鄙龣C(jī)的自身重量導(dǎo)致了線速度是一個(gè)短周期運(yùn)動(dòng)可以說明該分解方式是可行的。
3.1 轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)快周期子系統(tǒng)
本子系統(tǒng)由下式給出：
[Θ=Ψ(Θ)ωbωb=I-1(τf+τs-ωb×Iωb)] (6)
這里[τ=τf+τs](f指快周期，s指慢周期)是控制變量由下式定義：
[τf?K(z)ΘΘ+K(z)ωω，K(z)Θ，K(z)ω<0，?z]
[τs?KXXs] (7)
這樣的話式子(5)可以寫由式子(7)進(jìn)行改進(jìn)，可以保證在穩(wěn)定點(diǎn)附近[(?，θ) [Λ=12(ωb)TIωb-ΔΘKTΘ(Θ)Ψ-1(Θ)dΘ] (8)
這里用[ΔΘ]來替代平衡狀態(tài)[Θ0，]在滿足條件[(?，θ) [Λ=(ωb)TKω(Θ)ωb<0，?Θ∈0] (9)
從而，可以確保該子系統(tǒng)是穩(wěn)定的。
3.2 平動(dòng)動(dòng)力學(xué)慢子系統(tǒng)
由下式給出表達(dá)式：
[P=vpvp=1mR(Θ)fb] (10)
力平衡可以記作如下形式：
[fb=ΔF+F0+R(Θ)Tmg] (11)
式中：[F0=-R(Θ0)Tmg]是平衡力，考慮如下反饋控制律：
[ΔF=R-1(Θ)Kp(z)P] (12)
這里[Kp(z)]是反饋增益，將式(11)和(12)代入可得：
[vp=1mR(Θ)ΔF+(R(Θ)+R(Θ0))mg] (13)
則在平衡點(diǎn)[Θ=Θ0，][ωb=0]處慢周期子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性由下式確定：
[vp?1mR(Θ)(R(Θ)-1Kp(z)P)vp?1mKp(z)P] (14)
可以看出控制律(12)相對(duì)于一個(gè)反饋線性化，如果增益足夠小且增益矩陣[Kp(z)]對(duì)于所有的[z]為負(fù)值，則在[(?，θ) 4 非線性控制
由上節(jié)的控制策略來看，其只適應(yīng)于在平衡點(diǎn)附近狀態(tài)變量變化很小的范圍內(nèi)能夠保持穩(wěn)定，如果出現(xiàn)較大的狀態(tài)浮動(dòng)可能重新改變控制策略，首先在尾槳控制上必須滿足狀態(tài)量從-π到π的變化。線性控制律式(5)是基于表1設(shè)計(jì)的，其給出了表中控制變量和體坐標(biāo)系下狀態(tài)變量的匹配關(guān)系。在無人直升機(jī)引入偏航角計(jì)算時(shí)球面坐標(biāo)系[x，][y]和集體坐標(biāo)系下是不一致的。為解決這一問題，必須將控制效果作用量通過航向角坐標(biāo)變換到同一坐標(biāo)系下計(jì)算：
[cosψ-sinψsinψcosψk4+k5dxdt+k6xdtk7+k8dydt+k9ydt] (15)
此外在[x，][y]和[z]軸方向的位置偏差量在(-∞，+∞)內(nèi)必須能夠保持直升機(jī)的全局穩(wěn)定，對(duì)于式(5)和式(15)，如果[x]或者[y]位置偏差量增加，控制變量[a]和[b]會(huì)持續(xù)增大，最終回到這直升機(jī)在滾轉(zhuǎn)通道和俯仰通道不穩(wěn)定，為了解決這一問題，引入非線性方程[μ]來形成如下非線性控制策略：
[Tm=k1z+k2dzdt+k3zdtTt=k′1ψ+k′2ωb3ab=μ(?，θ)cosψ-sinψsinψcosψ?k4+k5dxdt+k6xdtk7+k8dydt+k9ydt+k′3θ+k′4ωb2k′5?+k′6ωb1] (16)
[μ(?，θ)=1，if (?，θ)<δ00，if (?，θ)>δ0] (17)
這時(shí)，當(dāng)狀態(tài)變量[?，θ]足夠小的時(shí)候，轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)線性控制律起作用([μ=1])，然而，當(dāng)角變化量偏大時(shí)，[μ=0]則控制變量[a和b]不受位置偏差影響而去穩(wěn)定姿態(tài)角[?和θ。]在此運(yùn)算過程中可以通過模糊邏輯來計(jì)算[μ]的值，此外，可用線性控制技術(shù)來計(jì)算式(16)中的[ki]和[k′i，]通過階躍響應(yīng)輸入進(jìn)行仿真可得如圖3所示結(jié)果。
采用不同的非線性控制技術(shù)測(cè)試了在非線性控制律下系統(tǒng)的穩(wěn)定特性，控制算法的平衡性和連續(xù)性得到了很好的驗(yàn)證，通過這些控制方法的證明了其控制效果不存在導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)散極限環(huán)。
圖3 階躍響應(yīng)輸入條件下系統(tǒng)的響應(yīng)曲線
5 結(jié) 論
線性控制技術(shù)可用于直升機(jī)懸停狀態(tài)下的穩(wěn)定控制，在考慮到大角度機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，僅依靠線性控制算法不是能完成對(duì)直升機(jī)的穩(wěn)定控制的，引入雙子模型對(duì)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行分解可以分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，由李亞普諾夫方程可以確?？熘芷?轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力學(xué))子系統(tǒng)的穩(wěn)定性，此外在穩(wěn)定點(diǎn)附近可以采用反饋線性化的方法來穩(wěn)定慢周期(平動(dòng)動(dòng)力學(xué))子系統(tǒng)。 非線性控制技術(shù)值無人直升機(jī)的控制上是非常有用的，尤其在出現(xiàn)大角度機(jī)動(dòng)飛行時(shí)能夠穩(wěn)定的控制直升機(jī)，本文中所介紹的非線性控制算法正是能夠滿足這一控制要求的算法，在該算法中由于引入了偏航角量使得直升機(jī)航行和位置控制更為精確。此外該非線性控制算法排除了直升機(jī)在滾轉(zhuǎn)角和俯仰角出現(xiàn)較大偏差時(shí)直升機(jī)失穩(wěn)的可能性，而使得直升機(jī)在非懸停狀態(tài)下也能得到穩(wěn)定的控制。在非線性反饋控制系統(tǒng)中應(yīng)用諧波穩(wěn)定和連續(xù)激勵(lì)的方法也不會(huì)出現(xiàn)任何極限環(huán)或發(fā)散情況。
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