摘要：本文主要是对小型无人机飞行控制系统设计的功能指标做出了简要分析，着重对飞行回路与飞行控制模态的设计进行了探究，以供参考。
关键词：小型无人机；飞行控制系统设计
前言：
无人机研究是当今航空航天领域的一个热门方向。自无人机问世以来，世界各国都十分重视无人机的研究与应用，使其在军事和民用领域都发挥了及其重要的作用。尤其是小型无人机，在战果评估、侦察监视、目标指示、情报收集和生化战剂探测等军事领域表现出了其独特的优势，在土地资源勘测、通信中继、防洪救灾、人员搜救和安全监察等民用领域也有着巨大的应用前景。
飞行控制系统作为小型无人机的关键子系统，对无人机的作战性能、可靠性和生存性都有着重要影响。飞行控制系统是无人机的指挥控制中心，完成载荷控制、指令导航、自主飞行控制和飞行任务管理等功能。对于小型无人机而言，其精确的动力学模型难以获得、飞行过程中容易受风场等环境因素的干扰的特点，对飞行控制系统的设计提出了更高要求，对无人机模型鲁棒性强、能自适应外界环境干扰的控制系统设计方法受到了越来越广泛的关注。
1无人机（UAV）的定义
无人机驾驶航空器（UA：UnmannedAricraft），是一架由遥控站管理（包括远程操纵或自主飞行）、不搭载操作人员的一种动力空中飞行器，采用空气动力为飞行器提供所需的升力，能够自动飞行或远程引导；既能一次性使用也能进行回收；能够携带致命性和非致命性有效负载。
2 无人机系统的定义及组成
无人机系统（UAS：UnmannedAircraftSystem），也称无人驾驶航空系统（RPAS：RemotelyPiltedAircraftSystem），是指一架无人机、相关的遥控站、所需的指令与控制数据链路以及批准的型号设计规定的任何其他部件组成的系统，无人机系统包括地面系统、飞行系统、任务载荷和无人机使用保障人员。
3 性能指标
3.1技术指标
小型无人机由于具有体积小、载荷轻、控制灵活等特点，对控制器的技术指标要求较高，主要有以下几个方面：
（1）实时性。要求CPU对输入的数据以最快的速度处理，用最短的延时输出控制信号，并要求控制输出精度高、稳定性好；
（2）可靠性。抗干扰能力强，要有较宽的工作温度范围和抗电磁干扰能力，起飞前飞行参数设置简便，控制器维护及参数调整方便，持续稳定工作时问长；
（3）嵌入性。控制器的重量要小于飞机的允许载荷，并且能够安装在机舱内狭小的空问中。除了以上3项主要要求，控制器还要满足存储空间大、能耗低等要求，以存储复杂控制程序和试飞所需辨识数据，且保证最大巡航时间内所耗电量不超过机载蓄电池容量。
3.2功能指标
无人机飞行控制系统是无人机系统的核心，负责无人机飞行过程中的自动控制和任务设备管理，对控制器的功能要求较高，主要有以下几个方面：
（1）接收地面指令并采集飞机姿态信息（俯仰角、倾斜角、磁航向角、飞行相对高度、空速、地理坐标、发动机转速、机载电源电压等），进行处理和变换；
图1无人机飞行控制回路
（2）将采集到的各种参数进行数据处理与控制律的解算，并将生成的控制信号送到相应的控制对象，完成相应的动作；
（3）对无人机控制系统工作模式、飞行控制系统中各传感器及伺服系统和飞行控制计算机的软硬件件进行管理；
（4）完成对机内其他任务载荷及电子部件的控制和数据交联。
4飞行控制回路设计
无人机的飞行控制结构由稳定回路和控制回路组成，如图1所示。稳定回路为阻尼回路，增加系统的阻尼，起稳定飞机姿态的作用；控制回路主要用来控制系统的航迹如高度、航向等。系统模型还包括一些非线性的环节，如执行机构的位置限幅等。
在设计无人机的控制系统时，一般将无人机纵向控制和横侧向控制系统分开来设计。纵向控制来实现无人机的俯仰角保持和高度保持，横侧向控制来实现无人机的滚转角保持和航向改变。纵向控制结构如图2所示。
图2无人机纵向控制结构图
纵向控制通过升降舵进行控制，包括两个回路：内回路，即姿态控制回路，增加系统的阻尼，进而增加系统纵向的稳定度，同时起姿态控制的作用；外回路，即高度控制回路，跟踪高度，控制高度。横侧向控制结构如图3所示。
图3无人机横侧向控制结构图
横侧向控制是通过副翼舵和方向舵进行控制，包括副翼和方向舵两个控制回路，所以横侧向控制是一个多输入多输出系统。方向舵回路相对比较简单，主要用来增加偏航阻尼。副翼回路则相对复杂，它以滚转角控制为内回路，侧偏控制为外回路，侧偏控制主要通过滚转角控制实现。
5飞行控制模态设计
无人机控制状态有遥控飞行、程控飞行、自主飞行三种，实现的控制模态有俯仰姿态保持／控制模态，高度保持／控制模态，滚转姿态保持／控制模态，航向保持／控制模态，各模态的控制律设计如下。
（1）俯仰姿态保持／控制模态控制律设计
俯仰姿态保持模态可以将飞机保持在给定的俯仰姿态，它是由飞控器根据某种飞行状态（水平飞行，爬升，俯冲）的需要而建立的，控制系统接通后就力图保持这种姿态为常值。
俯仰姿态保持模态由俯仰角反馈回路和俯仰角速率反馈回路构成。其控制律可以表示为：
采用PID控制结构，
，为阻尼回路增益。
（2）高度保持／控制模态控制律设计
高度保持模态不仅靠俯仰角的稳定与控制，还需要有高度差传感器。高度偏差信号输入俯仰角控制，控制飞机的姿态，改变飞机的航迹倾角，控制飞机的升降，直至高度差为零，使飞机回到预定高度。其控制律可以表示为：
采用PID控制结构
，
。
为阻尼回路反馈增益。
（3）滚转角保持／控制模态控制律设计当飞机作直线飞行要对滚转角进行稳定，在外力干扰的作用下，力图保持滚转角为零。飞机需要做大机动转弯时，需要借助滚转角控制系统，输入给定的控制信号，使飞机倾斜产生倾力来改变航向。
其控制律形式为：
采用PID控制结构
为阻尼回路反馈增益。
（4）航向保持／控制模态控制律设计
用于飞机按预定航线飞行。航向保持／控制回路以滚转角保持／控制回路作为内回路。
其控制律形式为：
采用PID控制结构
为阻尼回路反馈增益。
6结语
随着无人机技术的飞速发展，无人机已经在现代战场中显示出巨大的潜力。甚至无人驾驶技术也将会渗透到各个领域，随着科技的不断创新，在未来的战场，或者打击恐怖势力等方面无人机将会逐渐代替有人机，去执行目标打击，物资运送等任务。在无人机相关技术日益发展成熟的今天，无人机将会渗透到物流业，农业、旅游业等等。因此大力发展无人机技术已成为各个国家强军富民的一个不可缺少的发展战略。因此，关于无人机飞行控制系统的设计与研究也变得至关重要，希望本文关于此做出的一系列研究能对无人机的发展起到一定的推动作用。
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论文作者:黄国静
论文发表刊物:《基层建设》2019年第17期
论文发表时间:2019/9/11
标签：无人机论文; 回路论文; 控制系统论文; 阻尼论文; 模态论文; 飞机论文; 姿态论文; 《基层建设》2019年第17期论文;