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现代无人机系统设计(讲义)

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任务管理能力,特别是自主导航能力,因此经常被称为综合飞行控制系统。

最后,飞行控制设计思想不同:无人机与有人机相比,不考虑人的生理限制,可以放宽由人生理限制而产生的对飞行状态的控制要求,同时可靠性级别一般低于有人机,余度配置低,大多采用非余度配置方案,就连美国功能和性能最为完善的“全球鹰”飞行控制系统也仅采用双余度配置。

3 无人机控制与管理系统的组成和功能

根据无人机发展的历史时期和用途的不同,无人机控制系统在组成和功能上有相当大的差别。

无人机飞行控制系统一般包含传感器、机载计算机和伺服作动设备三大部分。飞行控制系统的功能如下:

a) 无人机姿态稳定与控制; b) 无人机自主导航飞行与航迹控制; c) 无人机起飞(发射)与着陆(回收)控制; d) 无人机飞行管理;

e) 无人机任务设备管理与控制; f) 应急控制; g) 信息收集与传递。

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以上所列的功能中第a、d和f项是所有无人机飞行控制系统所必须具备的功能,而其它项不是每一种飞行控制系统都具备,也不是每一种无人机都需要的,根据具体无人机种类和型号可进行选择、裁剪和组合。 4 无人机控制模式

无人机的飞行控制系统是全时限、全权限的,飞行控制模式可以分为程序控制(时间程序控制)、遥控(通过地面站遥控指令控制)和自主飞行控制(二维、三维或四维)三种。前二种飞行控制方式常用作靶机、观测等类型无人机的飞行控制,第三种常用于侦察机、攻击机等类型无人机的飞行控制。

? 在遥控方式下,地面操作手根据无人机的状态信息和任务要求控制无人机的飞行;

? 在自主控制方式下,飞行控制系统根据传感器获取的飞机状态信息和任务规划信息自动控制无人机的飞行。

? 在半自主控制方式下,飞行控制系统一方面根据传感器获取的飞机状态信息和任务规划信息自主控制无人机的飞行,另一方面,接收地面控制站的遥控指令,改变飞行状态。

5 机载传感器

无人机飞控系统常用的传感器包括角速率传感器、姿态传感器、航向传感器、高度空速传感器、飞机位置传感器、迎角传感器、过载

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传感器等。传感器的选择应根据实际系统的控制需要,在控制律初步设计与仿真的基础上进行。

1) 角速率传感器

角速率传感器是飞控系统的基本传感器之一,用于感受无人机绕机体轴的转动角速率,以构成角速率反馈,改善系统的阻尼特性、提高稳定性。

角速率传感器的选择要考虑其测量范围、精度、输出特性、带宽等。

角速率传感器应安装在无人机重心附近、一阶弯振的波节处,安装轴线与要感受的机体轴向平行,并特别注意极性的正确性。

2)姿态、航向传感器

姿态传感器用于感受无人机的俯仰和滚转角度,航向传感器用于感受无人机的航向角。姿态、航向传感器是无人机飞行控制系统的重要组成部分,用于实现姿态航向稳定与控制功能。

姿态、航向传感器的选择要考虑其测量范围、精度、输出特性、动态特性等。

姿态、航向传感器应安装在飞机重心附近,振动尽可能要小,有较高的安装精度要求。

对于磁航向传感器要安装在受铁磁性物质影响最小且相对固定的地方,安装件应采用非磁性材料制造。

3)高度、空速传感器(或大气数据计算机)

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高度、空速传感器(或大气数据计算机)用于感受无人机的飞行高度和空速,是高度保持和空速保持的必备传感器。一般和空速管、通气管路构成大气数据系统。

高度、空速传感器的选择主要考虑测量范围和测量精度。其安装一般要求在空速管附近,尽量缩短管路。

4)飞机位置传感器

飞机位置传感器用于感受飞机的位置,是飞行轨迹控制的必要前提。惯性导航设备、GPS卫星导航接收机是典型的位置传感器。

飞机位置传感器的选择一般考虑与飞行时间相关的导航精度、成本和可用性等问题。

惯性导航设备有安装位置和较高的安装精度要求,GPS接收机的安装主要应避免天线的遮挡问题。 6 引导设备

精确引导是无人机自动着陆的基础。由于使用简易的机场,显然不可能使用一般的仪表着陆系统或者微波着陆系统。在此前提下,还有如下方法可供选择。 1) 全球定位系统(GPS)

GPS是目前为止定位精度最高的导航设施,在世界各国有着广泛的应用。

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在SA取消后,商用GPS(C/A码)的定位精度大大提高,经过差分后(DGPS)可以提供精密进场着陆所需的飞机定位信息。

GPS作为精密进场着陆引导系统时必须与INS和无线电高度表相组合。因为GPS易受美国的制约,不宜对其过分依赖。 2) 区域定位系统(RPS)

区域定位系统(RPS)通过在地面一定区域内放置4~6个在功能上相当于定位卫星的设备(可称为伪卫星)来实现对空中目标的定位。该技术的详细情况国内有关厂所正在进一步的研究中。 3) 地面辅助引导设施

通过地面的精密光学系统或者导引雷达对飞机定位,再由上行数据链将定位信息传给飞控计算机(图3-1)。

最为现实的方法是本系统配备的地面测控系统视距链路。 该链路具有的高精度无线电定位功能可用于起飞/着陆过程中无人机的空中定位。

只要将其放置于跑道附近一定的区域中,在不附加任何设备的情况下可实现较好的地面引导。 4) 视见引导

利用无人机上光电设备(此时应锁定在一定的角度上)实时拍摄的机场景象迭加无人机的姿态、航向、空速、高度等信息,形成类似

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现代无人机系统设计(讲义)

任务管理能力,特别是自主导航能力,因此经常被称为综合飞行控制系统。最后,飞行控制设计思想不同:无人机与有人机相比,不考虑人的生理限制,可以放宽由人生理限制而产生的对飞行状态的控制要求,同时可靠性级别一般低于有人机,余度配置低,大多采用非余度配置方案,就连美国功能和性能最为完善的“全球鹰”飞行控制系统也仅采用双余度配置。3无人机控制与管理系统的
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