飞控系统在无人机中的应用与发展

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近年来无人机行业发展迅速，无人机在军事、民用上得到了广泛应用。飞控系统作为无人机核心构成部分，具有不可替代的地位，是无人机的大脑。本文介绍了飞控系统在无人机领域的应用与发展，探讨了飞控系统的关键技术以及未来趋势。

关键词

飞控系统；人工智能；无人机

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引言

随着航空航天事业的不断发展，各国在逐渐增大航空航天领域投入的同时，也积极探索各类飞行器在国家攻击防御方面的应用。其中无人飞行器由于可以代替飞行员执行战场紧急危险任务以及执行超越人类生理极限的任务，比如航时长、大机动飞行或者在恶劣气象条件、战场等危险区域执行军事任务等，从而成为各国竞相研究的热点，得到广泛应用，如美国的RQ-4A全球鹰无人机和英国BAE系统公司的雷电之神等。在民用领域，随着低空空域的开放与科技发展，通用航空与无人机技术发展迅猛，无人机在航拍、电影拍摄、医疗、救灾、电力巡线、航空测绘、农业植保、空中旅游等方面广泛应用，如大疆无人机公司的悟Inspire2，以及亿航公司EHANG184自动驾驶飞行器等。


正是无人机的大力发展，以及其向着信息化、智能化、自主化的发展，飞控系统作为无人智能系统的一部分，是无人机组成的核心，其发展先进程度至关重要。进入21世纪以来，美国在军事上把自主无人系统看作是颠覆性武器装备，越来越多国家对无人系统技术开始重视。可以预见，未来无人智能系统将在军事、民用上得到更广泛的应用，发挥更大的作用，智能飞控系统正是其重点研究发展对象。当前研究飞行控制的文献众多，主要集中在控制方法和控制系统的研究，对于飞控系统在实际工程应用和无人机领域的应用介绍很少。为此本文就飞控系统在无人机中的应用和发展进行了系统性梳理，对其关键技术和发展趋势进行了探讨。


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飞控系统的概念与分类

飞控系统是无人机组成部分，其作用相当于飞行驾驶员。作为飞行的大脑，控制无人机起飞、降落、空中安全飞行、识别战场环境，执行战场任务等一系列重要动作，实现对无人机姿态控制，保持飞行稳定、对无人机任务进行系统管理和在突发情况下进行应急控制，确保无人机安全顺利地完成系统下达的指令。


飞控系统根据其自主程度划分为：半自主、全自主。半自主飞控系统意味着自动控制与人工控制相结合，飞控系统采集实时飞行环境、姿态、油量等数据传送给操纵者，并由操纵者触发或停止指令，接到指令后的无人机，根据相应指令作出动作，完成任务。当前大多数无人机采用半自主方式，但自主化程度还是比较高。随着人工智能的发展，自主智能飞控系统开始被提出，指的是飞控系统能在脱离操控员实时交互下，从接到任务要求开始，自主规划路径，选择合理任务方案，全程不需要操作员的指令控制，独立完成任务同时在紧急情况下，地面操纵人员也可以介入接管。图1为自动飞行控制过程，具有敏感元件、放大计算装置、执行机构的飞行控制系统，它与舵面、飞机组成了一个闭环系统，相互配合从而顺利完成整个飞行过程。

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飞控系统在无人机中的应用

1.无人机飞控系统的发展历程


无人机飞控系统是在有人机载飞控设备基础上继承与发展而来。飞行控制系统的历史已经有一百多年。早在1891年，海诺姆马克西在其设计建造的飞行器上安装了飞行控制系统，以便更好控制飞行器纵向稳定性。二十世纪初，由于飞行理论的不断认知与完善，以及飞行器设计的与时俱进，飞行器自身稳定性能的得到提高，而此时自动控制理论也处于发展初期，飞行控制系统在飞机上应用程度较低。50年代前自动驾驶仪常用于运输机飞行中的平飞、定高、自动下滑、降落等。上个世纪中期以后，世界航空业飞速发展，飞行任务不断复杂化，对飞行器性能要求越来越高，如战斗机需要在超声速下飞行且具有良好的操作性能，战略轰炸机需要具备远距离投弹航程，侦察机需适应高空恶劣环境飞行，民航客机需要更安全舒适可靠的飞行。这一切的变化，迫切需要一种工具能辅助人类驾驶，减轻飞行员的负担，因此自动飞行控制系统不可避免地得到应用，开始了迅猛发展。60年代自动驾驶仪功能进一步提高，扩展成为飞行控制系统并且产生了随控布局飞行器设计新思路。70年代，电传操纵系统和数字式飞行控制系统出现，交联与飞机上其他系统，成为主动式的飞行控制系统，这一变化使得飞行员的操纵指令直接通过电信号的形式传输到舵机伺服控制回路，从而完成各种飞行动作，驾驶杆到舵机之间的机械传动机构得到取消从而克服了机械操纵系统的固有缺陷，同时飞行员对飞机的操作更加轻松。80年代以后，飞行控制系统与导航系统、火控系统、推进系统等融合，使其服务于各系统，协调各系统工作，以使各系统更加协调，出色地完成指令任务。早期的自动飞行控制系统（AFCS）与现代的电传操作系统(FBWS)主要差异如表1。

无人机的诞生到现在已经有100年。早期的无人机多由遥控器控制，只能实现部分自动控制，飞行距离受到操作者视野的限制，且局限于小型无人机，常用于军事训练与娱乐运动，比如靶机、航模玩具等。那时的飞控系统自主程度较低，人工干预为主。现代无人机飞控系统在有人机飞控系统基础上发展而来，同时无人机飞控系统也有其特殊的一面，有自己新的要求。由于人类无法直接操作飞机，相对于早期遥控式无人机，现代无人机飞控系统要求飞行器能独立自主地飞行、规划航迹、调节速度、判断高度、独立思考提出任务方案，自主能实现安全起飞、飞行、降落，同时完成指令任务要求。


近年来，随着人工智能的飞速发展，无人机领域在智能避障、自动巡航、自主飞行方面取得了快速进步，其中智能飞控系统也得到了高速发展。未来无人机与人工智能飞控技术将深入融合，打造更为安全、多功能、高品质的无人机产品。




2.无人机飞控系统在民用市场上的应用


民用无人机主要分消费级、工业级。如今民用无人机风靡全球，消费级无人机越来越多得进入我们的生活，工业级无人机开始在社会各行业崭露头角。近几年伴随着无人机技术的飞速发展和军民技术的深度融合，民用无人机市场欣欣向荣，呈现出一片繁荣景象，我国民用无人机产业将成为中国制造的代表性产业。


民用无人机主要应用于航拍、农业植保、电力巡线、航空测绘等，且以固定翼和多旋翼无人机为主，近年来垂直起降固定翼无人机开始受到广泛关注。主要的飞控设计生产厂商有：大疆创新、成都纵横、极飞科技、零度智控、易瓦特、3Drobotics、Parrot。飞控按照是否公开源代码的方式分为开源飞控和商品飞控：开源飞控的代表有：APM、AutoQuad、PX4/Pixhawk等，商品飞控主要有大疆公司的A3系列、零度智控的X4-V2无人机飞控、极飞科技SUPERX2等。评价飞控的好坏主要考虑四个方面：适配、稳定、功能、服务。


PART/3

无人机飞控系统的关键技术与未来发展

无人机必须满足飞行、感知、交互三个层次才能实现安全稳定的起降，通过自身的传感器感知周围的环境，识别信息并进行数据智能化处理，规化飞行任务路线，最终成功实现自主飞行。


1.在软件方面


在软件方面来看，控制律设计和飞行器控制与管理策略设计是两大关键技术[8]。其中控制律设计指的是飞控系统形成控制指令的算法，描述了受控状态变量与系统输入信号之间的函数关系。控制律的发展从最初的根轨迹和频域设计，到现代控制理论为基础的最优控制、极点配置、特征结构配置、非线性控制[9]。其中根轨迹和频域是经典的设计方式，其优点在于设计人员可以清晰看到系统的动态和更改情况，而现代控制理论的优点在于不限于单纯闭环，拓展为学习环和适应环。飞行器控制和管理策略主要表现为状态切换和逻辑关系形式的控制与管理，主要包括飞行状态的切换、紧急状态下应急处理的启动、机载设备的安全处理等可以展示出飞控系统自主决断能力的内容。控制律作为执行层，而飞行器与管理策略设计属于协调层，两者互为配合保证无人机的安全性能。


2.在硬件方面


在硬件方面来看，飞控系统的硬件包括：主控制模块、数据采集模块、舵机驱动模块以及信号调理及接口模块等，涉及传感器、控制计算机、伺服作动及地面操控与显示终端等多个系统。位置传感器、空速传感器、航向或姿态传感器等组成传感器子系统；副翼、升降舵等舵机及相应的控制器组成伺服作动子系统；综合遥测信息显示、任务规划与飞行状态监控等组成地面操控与显示终端子系统[10]；控制计算机作为飞控系统的核心部件，负责控制解算、指令输出、故障判读，实现飞机的起降、巡航、任务实施等。硬件设备的质量直接影响到数据采集结果的准确性以及软件指令的响应性，从而关系到飞行器的性能和安全，影响无人机性能参数指标的实现。系统仿真试验是验证飞控系统是否安全可靠的重要手段，通过逼真的地面试验仿真手段，模拟飞行器在任务飞行工况下的工作完成情况，同时为控制参数的调整和优化提供准确的数据，降低真实飞行的风险。


当前国内军用无人机在科研试飞阶段，每次飞行任务出动前将进行地面在线模拟工作，其目的在于保证无人机试飞过程中系统的可靠性。


3.无人机飞控系统的未来发展趋势


纵观军用无人机，未来的空中战场将是无人机的天下，未来军用无人机将朝着高速、隐身、长航时、全自主化发展。纵观民用无人机，以大疆创新科技为代表的消费级无人机已经进入红海，工业级无人机正处于蓝海时代。但不可否认的是，未来无人机在农林植保、电力巡线、国土测绘、海洋监测、航空遥感、抢险救灾、警用巡逻、交通监控、物流快递、医疗救护、地质勘探、野生动物保护等诸多行业将大有可为。


在未来，无人飞控系统技术实际应用巨大，发展前景广阔。可以预见的是未来无人机飞控系统重要发展技术有：


（1）自主感知技术：通过无人机携带的各类传感器，对飞行中的环境进行感知，识别建筑物、地形、各类移动目标等，并通过飞控算法探测信息，多源信息融合技术是当前感知技术的研究重点。


（2）无线自组网技术：指一种特殊的无线通信网络方式，它可以不依赖于任何固定设施，依靠节点间的相互协作，以多跳方式进行通信，具有自管理、自组织特性。


（3）自主导航技术：指无人系统确定当前无人机相对于全局坐标系的自身位置、目标位置，通过自身智能化技术规划起点至目标点的最优路径，最终到达目的地，全程具有高度自主和安全性。


（4）自主控制技术：指飞控系统以电子技术、计算机和通信技术等为基础，借助人机接口设备、通信系统，采用多种控制算法对无人机进行控制，使其能够单独完成任务，或与其他系统协同运转，以及实现集群飞行，更好地完成军事和民用任务。


未来无人飞控系统智能化程度将进一步加深，将朝着软件模块化、系统终端化、数据可视化、硬件SoC化发展，以实现全自主控制。同时将在自动巡航、自主飞行、群体作业等关键技术上取得新进展。


（以上文章来源于网络，作者单位：航空工业成都飞机工业（集团）有限责任公司，作者：阳尧）