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提高(gāo)无(wú)人机航拍飞控系统生存力的研究

 

越南战争后,美国开始在军用飞机的概念设计中研(yán)究作战生存力问题,并在多(duō)种(zhǒng)型号的飞(fēi)机生产中全面贯穿了(le)生(shēng)存(cún)力设计思想。生存力设计的(de)好坏将直接影响整个(gè)飞机(jī)系统的效能和费用。虽然我国对生存力问题的研究(jiū)尚处于初步研究(jiū)阶段,但飞机的生存力问题已经越来越引起我们的注意,在(zài)无人机领域亦是如此。无人机主要执行战略(luè)侦察、监视、空中预警、通信(xìn)中继(jì)和电子干扰等任务(wù)。目(mù)前(qián)国际上先进的无人机(jī)大(dà)多是续航时间长、飞(fēi)行高度高、作战半径大、装备(bèi)精(jīng)良和功能先(xiān)进的(de)大中型无人(rén)机,采(cǎi)用数字计算机控(kòng)制系统,可实(shí)现全过程自主(zhǔ)飞行。此类大中型无人机多搭载大型侦察或(huò)攻击设备,造成全机(jī)造价大幅飙升。以美国RQ-4“全球鹰”为例,其第Block20批次的单价已经达(dá)到(dào)5800 万美元,此价格已(yǐ)接近F16。对(duì)于大中型无人机而言,低成本的形象已(yǐ)经彻底颠(diān)覆,此时提高无人(rén)机的生存(cún)能力便显得格外有(yǒu)意义。因此要求无人机的(de)飞行管理与(yǔ)控制系统具有(yǒu)全(quán)程、全自主、全任务的工作能力(lì),同时还必须(xū)有很高的生存(cún)力。 

无人机(jī)在完(wán)成高度、长航(háng)时飞行(háng)任务时,随着(zhe)飞行时间(jiān)的增(zēng)加(jiā),飞行控制系统出现故障的概率(lǜ)也(yě)在(zài)不(bú)断增加,具(jù)体表现如飞行控制计算机故障、舵机故障(zhàng)、舵面(miàn)损(sǔn)伤以及(jí)机载传感器(qì)故障等。为了(le)使无人机在受(shòu)到非致命性损伤(shāng)和故障情况时仍能够完成(chéng)侦察任务或安全返回,需要研制一种高可靠性、高生存力的飞行控制系统。

解决办法 保证无人机高(gāo)生存力(lì)的(de)核(hé)心(xīn)是要构(gòu)成一个可(kě)重构飞行控制系(xì)统(Restructurable Flight ControlSystemRFCS[2],以及采用余度技(jì)术。一般说来(lái), 实现故障安全的方(fāng)法有: 

1)把故障影响(xiǎng)减小到最(zuì)低限(xiàn)度,即设计一个(gè)无人机(jī)鲁棒飞控系统,当故障(zhàng)产(chǎn)生后使其对整体性能不产(chǎn)生显著(zhe)影响(xiǎng); 

2)增(zēng)加余度设备和机构(gòu); 

3)改变(biàn)故(gù)障隔离后剩余系统的运行(háng)规(guī)则(zé),进(jìn)行补偿。 

方法主要针对系(xì)统出(chū)现不严重的故障。

方法适(shì)用于成本较低、易于维护且(qiě)余度设备在无人机承载能力范围内(nèi)的情况。

方法应用情况较全面。 

RFCS 方案 RFCS 方案的(de)基本组成: 

1)故障的检(jiǎn)测与识别(F a u l tDe t e c t i o n a n d I d e n t i f i c a t i o n ,FDI)。确(què)定故(gù)障性质、地点(diǎn)和程度。

2)飞行控制系(xì)统的再设计。在(zài)所得到的信(xìn)息基础上,使用剩余(yú)的部(bù)件和元(yuán)件,补偿故(gù)障元部件功能,改(gǎi)变反馈增益,进(jìn)一步附加新的控制回路进行控制律的修正。 

3)构(gòu)成能(néng)够承受轻微故障和环境改变(biàn)的鲁棒飞行控制系(xì)统。

当舵面损(sǔn)坏或出现故障时,通(tōng)过重组(Reconfiguration) 提供余度(dù)舵面。舵面重组是指(zhǐ)当飞(fēi)机的操纵面发生故(gù)障时,重(chóng)新组织飞机构造形式的一种技术措(cuò)施。采(cǎi)用(yòng)控制(zhì)工(gōng)程的概念,重组是指(zhǐ)通过控(kòng)制器结构(gòu)和参数(shù)的(de)变(biàn)化来改变控制器与被控(kòng)对象之间的输入输出(chū)关系。 

余度技术

余度技术的基本(běn)思想(xiǎng)是增加余(yú)度资源、提高可靠性。余度资源包括:飞控计(jì)算机(jī)硬(yìng)件和(hé)软件余度、时间(jiān)重复、信息余度(传感器(qì)余度)以及设置余度逻辑状态等。从相反(fǎn)的一面来看,增加(jiā)余(yú)度资(zī)源的同时也(yě)增加(jiā)了系统(tǒng)的复杂程度,增加了系(xì)统(tǒng)的出错率。如果设(shè)计(jì)不当,系统可靠性反而(ér)会下(xià)降。所以方(fāng)案设计上就需要在资源和可靠性指标之间进行折中。 

通(tōng)常飞机的生存力还包括战伤抢修性(xìng),即遭到损(sǔn)伤(shāng)后能以应急手段和维(wéi)修方法使得飞机恢复到完(wán)成某种任务所需的功能或自(zì)救的能力。由于无人机系统在执行侦查作战(zhàn)任(rèn)务期间一旦发生(shēng)故障,不可能像普(pǔ)通飞机那样实时排除并修复故障(zhàng)。所以在进(jìn)行无人机可重构飞行控制系(xì)统(tǒng)可靠性预计和(hé)分配时,必(bì)须考虑无人机的特殊性。 

以某(mǒu)型飞控系统为例,该飞控系统设(shè)计为三余度飞控系统(tǒng)[3],它具有余度管理功能。在飞机飞控系统发(fā)生故障(包括飞机的舵面、机载传感器、飞行控制计算机等故障)时(shí),能够继续完成(chéng)无人机的侦查作战(zhàn)任务(一次故障工作(zuò));在飞机(jī)飞控系统发生二次(cì)故障(zhàng)时,应至少保(bǎo)持(chí)稳定(dìng)和安全(quán)(二次故障安全(quán))。此时(shí),可(kě)控制飞机(jī)返回机(jī)场。 

无人机采(cǎi)用了硬件余度(dù)和软件余度相(xiàng)结合的方式。硬件余(yú)度包括(kuò):操纵面的余度配置、三余度(dù)飞(fēi)控计算机(jī)和多余度传感器(qì)等;软(ruǎn)件(jiàn)余度包括相似余度计算(suàn)机(jī)软件和解析余度传感器。

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