国外轻小型无人直升机及关键系统发展情况

2017-06-22 学术plus
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无人直升机(Unmanned Helicopter,UMH)是无人机中的重要一类,指的是由无线电地面遥控飞行或自主控制飞行的可垂直起降、不载人的飞行器。无人直升机在功能上能够实现垂直起降,在外部构型上属于旋翼飞行器。

 
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无人直升机除了具备固定翼无人机的一般优点外,还具有垂直起飞着陆、空中定点悬停、低速飞行、低空超低空飞行、悬停回转等特点。因此,在起飞着陆场地受限、飞行空间狭小、要求执行低空低速任务的场合下,无人直升机有着广阔的应用前景。虽然无人直升机在飞行速度上与固定翼无人机无法相媲美,但是由于其具有独特的飞行能力,使得无人直升机在无人机家族中发挥着不可替代的作用。
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无人直升机(轻小型)典型机型

无人直升机的分类大多参考有人直升机的分类标准,多以飞机重量为依据,可以分为:大型、中型、轻型、小型、微小型、微型等,具有代表性的型号有:美国的火力侦察兵(Fire Scout)和蜂鸟、英国的小精灵和“斯普赖特”、加拿大的哨兵(CL 227和CL 327)、奥地利的Camcopter(又称S100型无人直升机)、日本的R-MAX无人直升机以及俄国的Ka-137和“猫头鹰”无人直升机等。


(1)火力侦察兵(Fire Scout)

“火力侦察兵”项目始于美国海军发起的用于支持“濒海战斗舰”(LCS)计划的垂直起降战术无人机(VTUAV)计划。
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一套“火力侦察兵”系统包括3架由诺斯罗普•格鲁门公司生产的“火力侦察兵”无人机平台(RQ-8A,MQ-8B,MQ-8C),3个由以色列飞机工业公司提供的光电/红外传感器和激光指示器/测距仪,2个由雷神公司研制的战术地面控制站,1个由内华达山脉公司提供的无人机通用自动回收系统(UCARS),以及地面维护设备和相关备件。另外,舰载集成工作由洛克希德•马丁公司承担。


RQ-8A、MQ-8B、MQ-8C 是火力侦察兵无人机不同时期的三个系列。该机各系列均使用不同的机体,分别选用不同尺寸、型号的商用直升机作为机体。


(2)CAMCOPTER S-100无人直升机

CAMCOPTER S-100无人直升机由奥地利Schiebel公司研制,在设计S-100无人机的过程中Schiebel公司试验和配置了先进材料,始终致力减轻部件重量。S-100无人机的机身采用航空复合材料:玻璃纤维/环氧的外蒙皮,刚性泡沫塑料壳式夹芯,内蒙皮也由玻璃纤维/环氧制成。因此,整个机体几乎是一种能承受所有气动力和惯性载荷的碳纤维硬壳式结构。


S-100的控制系统采用了余度计算机、全球定位系统、惯性测量部件、空速系统和磁性航向指示器,既可人工操纵控制(遥控),又可完全自主飞行。在人工操纵模式,操作员通过任务控制单元指挥和观察飞行;在自动飞行模式,飞行控制根据飞行任务规划自动完成。该系统允许操作员中断预编程序飞行,执行人工操纵模式,然后还可回到自动飞行状态。该机以惯性/卫星导航为基础的自动控制系统,即使在恶劣的天气条件下也可保证飞行的稳定性。

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operational version onboard the French L'Adroitpatrol vessel.

CAMCOPTERS-100无人直升机机腹主有效载荷舱内安装有以色列飞机工业有限公司(IAI)研制的嵌入式光电载荷(POP200或POP300)。嵌入式光电载荷是基于模块化概念,载荷是基于一个单一的直插式更换结构的稳定平台里,该稳定平台包括所有的用来操作传感器稳定平台的电路,还包括了与飞机相连接的接口。传感器安装在可移动部位,通过改变不同的传感器模块,插入稳定平台万向节中,以满足一个或一系列任务的需要。这些传感器单元可以在数分钟内替换,嵌入式光电载荷能够携带的部件包括彩色CCD摄像机、前视红外热像仪、激光指示器和激光测距机等。这种设计使整个系统不仅重量轻,而且易于安装、维修和保养。


(3)卡 137(Ka 137)

卡137是俄罗斯卡莫夫设计局,以Ka37为基础研制的一种无人驾驶侦查直升机。卡137无人直升机的主要任务除侦查以外,还能执行空中监视和高空拍摄任务,是一种物美价廉的直升机。


卡137采用共轴双旋翼结构和四腿起落架。旋翼直径为5.3m,球形机身最大直径1.3m,机高2.3m,净质量200kg,最大起飞质量280kg。卡 137无人机和PPU-137地面机动控制站及运载车构成了MBVK-137无人机系统。卡-137机体具有电磁屏蔽和防腐蚀功能,还能防高强度辐射。其最大飞行速度175km/h,巡航速度145km/h,悬停升限2900m,最大升限5000 m,最大航程530km,续航时间4h。

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卡137的球形机体分上下两个功能部分。上部装载关键系统,包括一台Hirth 2706 R05型双冲程活塞式发动机(功率48.5kw),燃油、控制系统及测高仪和卫星导航系统。所包含的一套自动飞行数字控制系统和机载惯性卫星导航系统确保卡137能够完成许多复杂的自动飞行任务。下部装载任务系统,根据任务配置有效载荷和传感器,如电视或红外摄像系统、无线电定位装置和信号传送装置等,共可携带80kg有效载荷。


轻小型无人直升机关键系统

轻小型无人直升机整个系统结构由机载飞控系统和地面站监控系统组成。其中,飞行器平台主要由直升机本体、传感器、无线传输设备等组成,保证无人直升机的稳定飞行和与地面站的联系;飞行器平台中通常还包括摄像头、机械手等部件,以便完成拍摄、侦察、投掷和抓取等任务。地面监控站主要包括计算机和无线传输设备,主要负责与无人直升机的信息交互、对飞行状态的监控以及对回传信息的处理。
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轻小型无人直升机系统结构

(1)导航系统

在轻小型无人直升机的飞行器平台中,导航系统是其中非常重要的一个部分,主要任务为飞行控制系统提供必需的姿态、速度、位置等导航信息,直接影响其飞行控制的性能。


从世界范围来看,轻小型无人直升机的导航系统已发展得相对成熟,多个著名无人机项目中的轻小型无人直升机已实现稳定的自主飞行和灵活的自主特技动作。在传感器件方面,轻小型无人直升机导航往往使用多种传感器系统;在硬件处理电路方面,许多轻小型无人直升机的导航系统己经摒弃了传统的专用导航计算机,而使用专门的嵌入式系统来实现导航运算,如各种型号的PC104、DSP芯片等;在导航算法方面,当前研究热点主要集中对各传感器信号处理和导航传感器信息融合方面。


虽然从世界范围来看,轻小型无人直升机发展不错。但在国内,由于轻小型无人直升机的研究起步较晚和传感器件发展的限制,轻小型无人直升机导航系统的发展还很不完善。目前也出现了不少针对轻小型无人直升机导航系统的研究,但大多以理论研究为主。


(2)数据通信系统

轻小型无人直升机的通信系统主要由控制数据链和任务数据链组成。控制数据链由上行的无人机控制器参数信息、轨迹规划信息及下行的飞机状态信息组成。控制数据链是保证无人机安全稳定自主飞行的必备数据链,必须保证其安全性和可靠性。飞机控制器参数及轨迹规划信息,一般根据无人机飞行需要随机发送的,非周期性发送,数据量较小。下行的飞机状态信息,一般周期性发送,数据量相对较大。任务数据链一般为下行的应用信息,如图像、视频或根据其他应用需要下传遥感数据,是根据各种轻小型无人直升机应用需求提出的,数据量一般会较大。
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轻小型无人直升机数据通信系统

数据链通信技术已成为目前国内外轻小型无人直升机技术的发展趋势。对轻小型无人直升机采用点对点数据链系统的设计,可以完成轻小型无人直升机与地面站共用一条传输距离远的通信链路进行数据通信的系统设计,实现了轻小型无人直升机在超视距范围内巡航。


基于现实情况的迫切需求、轻小型无人直升机技术的发展和实验室轻小型无人直升机技术的积累,使用轻小型无人直升机作为通信中继平台来扩大通信范围成为可能。轻小型无人直升机中继系统作为通信中继平台克服了目前采用的固定基站中继或者卫星中继的缺点,而且具有价格较低、使用灵活、通信范围广等优点,可以在较短的时间内以最高的效率比实现超视距通信。


(3)飞行控制系统

轻小型无人直升机整个飞行控制系统由飞行控制计算机、传感器和执行机构组成,其系统结构如下图:

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轻小型无人直升机研究中的其他研究重点


(1)抗干扰航向控制器

航向通道的控制是整个轻小型无人直升机控制系统中的关键部分,其不仅是直升机正常飞行的保证,也影响着无人机起飞与降落时动态性能,故设计合理的航向控制器至关重要。


作为一个多输入多输出的非线性系统,轻小型无人直升机易受模型不确定性和外部扰动的影响,这些因素使得设计其航向飞行控制器难度颇大。为了提高轻小型无人直升机的操控品质,对抗干扰能力强的高性能航向控制器的研究日益重要。


(2)自动起降段控制技术

轻小型无人直升机自动起降是飞行控制过程中的重难点。在自动起降阶段,由于飞行速度小,气动效应非常弱,通道之间的耦合严重,着陆场地小等因素,对轻小型无人直升机的起降控制性能提出了很高的要求。


在自动起飞与自动着陆研究和应用方面,各国的科研单位进行了广泛的探索,国际上先进的无人直升机基本上都可以实现自动起飞与自动着陆,其中火力侦察兵和S 100型无人直升机不仅具备了普通的陆基起降能力,且实现了在海面风影响下跟踪移动舰船并实现无人干涉下的自主舰面起降,已经达到工程实用和军事装备的要求。但是,国内轻小型无人直升机技术与国外仍存在一定的差距,特别在自动起飞与自动着陆控制方面,虽然有技术上的突破,但国内的型号均未实现真正意义上的自主起降,基本以人工操作或是带增稳的人工操纵为主,与工程应用和军事装备需求仍有较大差距。


目前,在轻小型无人直升机的自动起降段的控制上仍然存在一些技术难点,还需进一步完善,主要包括:

 

(3)着舰回收技术(舰载轻小型无人直升机)

由于海上风浪的影响,轻小型无人直升机下降着舰时需要考虑舰船甲板运动、舰尾气流、阵风干扰和地面效应的影响,因此实现自主下降着舰十分困难。

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通常,舰载操作人员仅在突风已经偏移了飞行器后才能辨别出突风的影响。一般在3级海况以上手动回收无人机就相当困难。随着海浪增大,手动回收变得越来越难,必须使用高速计算机来保持稳定和控制。因此,舰载无人直升机需要配备专门的自动着舰回收系统,以保证飞行器的安全回收。并且在着舰回收过程中,还应考虑到甲板运动。


(4)轻小型共轴无人直升机控制技术

近几年来,随着农业技术不断的革新,绿色农业,精准农业等技术得以快速的发展,农业航空技术应用得到了越来越多人的重视。在农业喷洒作业方面,选用轻小型共轴无人直升机更适合喷洒作业要求。轻小型共轴无人直升机相比与传统直升机,具有载荷大、悬停时功耗较小、稳定性高的特点,特别适合具有有大载荷、低空低速飞行需要的农业喷洒作业任务。


但是轻小型共轴无人直升机因对控制输入和外在扰动较敏感,且本身具有较高的动态脉宽, 使得其难于控制,从而导致需要对其开展进一步的研究。


轻小型无人直升机应用前景与发展趋势

轻小型无人直升机不仅具有一般无人直升机所共有的机动性、易实现悬停和超低空飞行等特点,而且具有体积小、重量轻、成本低以及良好的隐蔽性等独有的特点。正是由于轻小型无人直升机的这些特点,使得其在军民两个应用领域有着广阔的需求。
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轻小型无人直升机在未来的发展,呈现出以下趋势:


(1)在未来几年内,市场将以军用为主

轻小型无人直升机作为一个低风险、高效费比的作战平台,必将在未来的战争中发挥重要作用,具有攻击能力甚至格斗能力的轻小型无人武装直升机将是未来军用无人机发展的一个重要方向。


而由于我国居民收入水平所限,再加之轻小型无人直升机较高的使用成本,使得在未来三到五年内民用市场发展较为缓慢。在我国,未来三到五年内,军用市场将仍旧是主要的应用领域。


(2)隐身性能的重要性更加突出

轻小型无人直升机速度小、飞行高度低,其隐身性能就显得更加重要。增强军用轻小型无人直升机的隐身性能、提高其战场生存率将是一个发展重点。


(3)长航时性能更加完善

有人直升机由于座舱狭窄,飞行员不能长时间呆在驾驶舱,一般连续飞行时间不能太长,而无人直升机不必考虑飞行员的生理限制问题,再加之轻小型无人直升机自身重量较轻,可以进行长时间飞行。


此外,随着军民市场对轻小型无人直升机航行时间的要求的增长,也必将推动轻小型无人直升机长航时性能的完善。


(4)智能化、易操纵

目前的轻小型无人直升机智能化程度很低,且不容易操纵,发展智能化程度高、易操纵的轻小型无人直升机将是一个重要的发展方向。


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