飞行品质(flying quality)规范是无人直升机设计(包括飞行控制系统设计)的依据和基础,它反映的是无人直升机的内在属性,良好的飞行品质是确保无人直升机飞行安全,继而顺利完成既定任务的重要保障。随着无人直升机的蓬勃发展,无人直升机飞行品质问题已引起国内外高度重视,然而目前已发表的无人直升机飞行品质的研究成果或可供参考的文献资料甚少。

无人直升机飞行品质与有人驾驶飞机相比存在着较大差异,这种差异主要源于系统组成、操作方式和关注焦点等多个方面的不同,表现为导航高度自主化、飞行控制高度自动化和系统综合高度集成化等显著特征。无人直升机的性能要求、指标体系、评估方法和评价准则等如果照搬有人驾驶飞机的标准和尺度,则显然存在着一定的局限性和不适应性。因此,本文在参考国内外相关有人机飞行品质文献^{[1, 2, 3, 4]}、已有的无人机(固定翼)相关标准^[5],并结合课题组在无人直升机系统研制长期经验积累的基础之上,对无人直升机飞行品质的研究内容、影响因素、性能指标以及评估架构等方面进行初步探讨,旨在为中国无人直升机系统的研制、评估以及飞行品质规范的早日出台提供有价值的参考与借鉴。

无人直升机系统一般由无人直升机平台、通信数据链路、地面控制站和操纵手(地面飞行员)4部分组成,其系统结构如图 1所示。

图 1 无人直升机系统组成 Fig. 1 Constitution of unmanned helicopter system

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无人直升机平台由无人直升机本体(包括旋翼、尾桨、机身、操纵系统和动力装置等)及控制与导航系统(包括机载传感器、飞控计算机、定位与导航设备等)组成;通信数据链路则包括机载数据终端、地面数据终端、通信天线以及天线控制设备等。

为给出无人直升机飞行品质较为合理的定义,有必要首先考察有人驾驶飞机飞行品质的定义及其基本含义。

有人驾驶飞机的飞行品质定义为^[6]:驾驶员安全舒适地驾驶飞机,且能在整个飞行包线内较好地完成飞行任务时所呈现的特性。综合各类关于飞行品质和操纵品质(handling quality)的描述^[7],有人驾驶飞机飞行品质的基本含义为:对于驾驶员操纵,飞机能保证安全、顺利和轻松地完成操纵任务的飞机特点。即有人驾驶飞机飞行品质设计的出发点和最终验证都是驾驶员^[8],飞机本体特性必须适合和适应人的特性。这是有人驾驶飞机飞行品质的本质特征。然而,由于无人直升机飞行过程中没有人的在机参与和操纵,这就失去了有人驾驶飞机飞行品质讨论所围绕的核心要素——人(驾驶员),从而使得无人直升机飞行品质在内涵和基本理念上与有人驾驶飞机飞行品质出现较大差异。

1997年,美国军方在MIL-STD-1797B中第一次提出了“面向任务的飞行品质”概念,将飞行品质讨论核心从“人”切换到了“任务”层面,以适应电传、高增稳等飞行控制系统作用越来越突显的飞机的飞行品质要求。无人直升机正是此类飞行控制系统主导特征下的一种飞行器综合系统,因此基于面向任务的思想,本文将无人直升机飞行品质定义如下:无人直升机系统顺利和精确完成指定飞行任务所需要的飞机全系统特性。

需要指出的是,无人直升机的飞行品质不仅与其本体的特性有关^[9],还与无人直升机系统其他组成部分,如飞行控制系统、通信数据链路和地面控制站等有关。此外,大气状况、外部使用环境等也对无人直升机的飞行品质有着重要影响。因此,上述定义是从无人直升机全系统整体特性的评估角度提出的,是气动、结构、质量特性和控制等众多因素综合在一起的集中体现。

无人直升机飞行品质的研究和理解可从2个角度分别进行,即飞行力学视角和自动控制视角。从飞行力学角度看,无人直升机的飞行品质是指平衡性能、稳定性能以及操纵性能等(即所谓的操稳特性),此时将无人直升机当作质点系处理^[10]。从自动控制角度看,无人直升机的飞行品质则关注于飞行器各飞行状态参数的“稳、快、准”特性^[11],用术语表示即为稳态精度、快速性、平稳性、稳定性和机动性/敏捷性等。

飞行力学是传统有人驾驶飞机飞行品质研究的主要视角。但是,随着主动控制技术在现代飞机中的普遍应用,飞行控制系统的主导地位日益明显,此时飞机的气动布局、结构设计更侧重于飞行性能的要求,即只要保证气动特性和舵面操纵效能在满足任务需求的前提下,通过设计良好的飞行控制系统,改善飞机操稳特性中的缺陷甚至完全改变飞机的动态响应特性^[7],从而获得更好的飞行品质。因此,自动控制是无人直升机系统飞行品质研究的更为合理和有效的切入视角。

基于第1.3节的分析,本文从自动控制视角出发对无人直升机的飞行品质开展研究。在该视角下,通过深入分析并提炼,可将无人直升机飞行品质的主要研究内容归纳如图 2所示。

图 2 无人直升机飞行品质的研究内容 Fig. 2 Research contents of unmanned helicopter flying quality

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从图 2中可以看出,无人直升机飞行品质的研究内容大体包括相互联系的三大部分:

1) 闭环系统对输入的响应特性、对系统不确定性的反馈特性以及控制量的控制品质问题。无人直升机的飞行品质关注无人直升机对给出的操纵指令响应是否稳定、响应是否快速、跟随特性如何和跟踪是否精确;对系统参数摄动是否保持低敏感性,对外界扰动能否衰减和抑制,对未建模动态等不确定性是否具有稳定鲁棒性或性能鲁棒性等。此外,还关注控制量给出的变化范围以及速度等。这些是无人直升机飞行品质最为本质的问题,它们不仅涵盖了传统飞行力学视角中对于飞机操稳特性的关注,还更进一步地加入了对系统不确定性以及控制品质的要求与考察,而后两者对于无人直升机这类无人系统的飞行品质保障具有独特而关键的作用。

但也应该注意到,以上问题的解决是与无人直升机系统的特定特性问题密切相关的。无人直升机的特性问题主要包括:干扰运动的典型模态问题、操纵耦合问题^{[9, 12]}、敏捷性问题以及时间延迟问题^[13]等。这些固有特性问题正是无人直升机飞行控制系统设计时所要面对的主要问题域。

2) 导航分系统的定位精度问题。无人直升机系统整体认知可概括为:根在平台、用在测控、强在载荷、重在系统。其中,系统主要指系统软件;测控是指包括通信数据链路、地面控制站等在内的广义测控系统(也即人机交互);平台则是无人直升机本体、飞行控制系统以及导航系统等。因此,毫无疑问,同为“根”重要组成部分的导航系统,对无人直升机飞行品质的影响是直接的,表现在飞行航迹控制及目标定位精度等多个方面,应该纳入研究范畴。

3) 人机交互问题。无人直升机飞行过程无驾驶员在舱操纵,但实际上,无人直升机系统的运行过程都需要人的在环参与,例如飞行的实时监控、飞行任务给定与变更、应急控制与系统接管等。无人直升机“用在测控”,因此,人机交互问题是无人直升机飞行品质研究中必须讨论的问题。一般来讲,无人直升机人机交互主要涉及2个方面的问题:①通信数据链路的传输模式和传输能力。前者通常指数字信号传输、模拟信号传输及信号频率等;后者通常包括传输速率、码速率等,这对实时传输连续视频信号能力至关重要。②地面控制站相关问题。包括人机交互的界面友好性、状态显示、故障及威胁告警和地面站层面的应急控制等。

无人直升机飞行品质研究或评估需要厘清的另一个基本问题是:无人直升机的飞行品质受哪些因素影响,它们如何作用。工程实践表明,飞机类型、飞行阶段、内部机载设备的健康程度和外部运行环境状况等都对无人直升机飞行品质有着较大影响。这些影响因素通过影响无人直升机的飞行模态发挥着自己的影响作用,如图 3所示。

图 3 飞行品质的影响因素及逻辑关系 Fig. 3 Influencing factors of flying quality and their logic relations

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从图 3可以看到,无人直升机飞行品质逻辑链中处于关键位置的是飞行模态和飞行控制律2个概念。其中,飞行模态向前承载众多影响因素的综合作用,而飞行控制律对飞行模态进行相应处理,向后获得期望的响应形状。飞行控制律的响应特性曲线包含动态响应、模态特性、鲁棒性和跟踪精度等信息,而正是这些信息表征和反映了无人直升机的飞行品质特性。

目前,国内外对无人直升机并无统一的或较为公认的分类方法和原则。事实上,现有的无人直升机类型繁多,它们的机动性差异很大,总重量变化也很悬殊,这是造成分类困难的主要原因。本文采用面向任务的分类方式(根据其用途),将无人直升机划分为侦察型、攻击型、通用型以及运输型等4种基本类别。

无人直升机的飞行品质应按任务的飞行阶段功能提出各项要求,其原因在于对同一架飞机,其飞行过程一般可分为起飞、巡航、执行任务和着陆等典型飞行阶段,显然,对于这些不同的飞行阶段,其飞行品质要求是有明显差异的。本文将无人直升机飞行阶段划分为A、B和C 3种阶段,如表 1所示。这一做法是从整个飞行任务的前后关系上考虑的,其初衷是为使无人直升机任何一次飞行过程前后相衔接的阶段之间不出现间断,并能光滑过渡。

根据操纵指令生成和发出的主体不同,可将无人直升机的操纵模式分为3类:

1) 手控模式。是最为基础的一类控制模式,地面飞行员在环参与,利用手持遥控器或通过地面控制站,根据下行数据链路回传的飞行状态信息对无人直升机进行操纵;操纵指令通过上行数据链路传递给无人直升机,经机载飞控计算机增稳控制或直接指令透传,实现对无人直升机的飞行控制。

2) 程控模式。又称全自主飞行控制模式,该模式下飞控指令完全由机载飞控计算机程序计算并发出。程控模式控制效果取决于路径规划、自主避障、自主起降、导航精度、控制律重构以及健康管理等诸多方面的控制算法与策略。

3) 混合控制模式。即手控模式+程控模式的混合控制模式。其中手控模式多用于飞行任务剖面两端的起飞和着陆,一般出于安全起降考虑或空中应急目的;程控模式则是当无人直升机遥控升空后,通过硬件开关或软件指令进行程控模式切换,此后飞控计算机程序全权限接管系统。

有人驾驶飞机发布的飞行品质规范中多采用3级飞行品质等级的划分方法^{[14, 15]},本文沿用这一划分习惯,但同时结合无人直升机的不同操纵模式,定义无人直升机的飞行品质等级,如表 2所示。

基于第1节、第2节的分析与讨论,无人直升机飞行品质总体要求可定性地用如下语言进行描述:

1) 不应有持久和不可控的振荡。

2) 不应有过于敏感或过于迟钝的响应速度。

3) 不应有过大的振荡幅值。

4) 不应有过多的振荡次数。

5) 不应有超出忍耐的各类跟踪误差。

6) 不应有总/纵/横/航某一通道某一操纵对其他通道的明显耦合。

7) 不应有过大和过快的操纵量给出。

8) 不应有超出可用性的导航定位精度。

9) 不应有通信数据链路对系统的制约问题。

10) 不应有糟糕的人机界面、状态显示、故障(威胁)告警、指令操纵交互以及应急策略。

基于第3.1节的定性描述,经初步细化,提出无人直升机的飞行品质指标要求如下:

1) 稳定性。①状态参数收敛性/有界性;②系统稳定储备。

2) 平稳性。包括超调量、振荡次数和振荡周期。

3) 跟随性能。包括开环带宽和延迟时间。

4) 跟踪精度。①位置/高度跟踪误差；②姿态/航向跟踪误差；③三轴速度/角速度跟踪误差。

5) 控制品质。包括舵量曲线的最大幅值和最大斜率(速度)。

6) 导航系统目标定位精度。

7) 数据链路。包括传输模式要求和传输能力要求。

8) 地面控制站。①人机界面友好性、状态参数显示；②故障及威胁告警、应急控制等。

9) 鲁棒性。①参数摄动的敏感度、外界干扰的抑制性；②稳定鲁棒性、性能鲁棒性。

10) 耦合特性。包括某通道的控制量给出时,引起的其他通道位置、姿态、速度和侧滑角等的变化幅值。

11) 模态特性。①姿态的回落比、位置的回落比；②固有频率和阻尼比(低阶等效系统)；③谐振频率、谐振峰值。

12) 飞行模态切换特性。包括不同模态之间切换所需时间、振荡次数和实现精度等。

13) 机动性/敏捷性。包括单位舵量单位时间下的姿态、角速度等状态的变化增量。

以上指标要求较为完整地展现了无人直升机飞行品质的评估方面,但限于篇幅,这里仍只是初步细化,某些指标是可进一步细化和区分的。

ADS-33E给出了有人驾驶直升机飞行品质等级评估的三维架构。首先,将飞行品质评价的参照条件总结为所执行的任务、所处的环境和所需要的响应这3个要素,然后通过具体化和量化,形成有人驾驶直升机飞行品质评估的三维架构,其飞行品质特性的优劣都是在此三维领域内予以评价^{[1, 9]}。

以上评估架构是具有其先进性和实际可操作性的。因此本文充分吸收这一架构的思想,从飞行模态概念出发,利用任务模态、内部模态和外部模态^[6]等子概念,对无人直升机飞行品质的影响因素及其影响效果进行重新归类和层次判定,生成相应的坐标维度,最终提出适用于无人直升机飞行品质评估的三维架构,如图 4所示。

图 4 无人直升机飞行品质评估的三维架构 Fig. 4 Three-dimensional frame of unmanned helicopter flying quality assessment

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1) 飞行科目

新的无人直升机系统的研制与有人机有相似的研制流程,首先根据无人直升机的预定使命(如侦察、攻击和运输等),逐项列出其需要执行的飞行任务,进而将每一项任务细化,分解为若干飞行科目基元,如悬停和加减速等。飞行科目基元内含的要求决定着任务模态。通过对ADS-33E中23种飞行科目基元的合理剪裁和改进,设计无人直升机飞行科目,如表 3所示。

2) 健康与环境等级

健康与环境等级维度是对无人直升机任务模态维度的约束性维度。其基本含义为:用以表征无人直升机内部模态和外部模态的当前状态。无人直升机的内部模态包含内容较多,但主要指无人直升机机载设备,如传感器、飞控计算机和舵机等故障所引起的无人直升机系统内部状态的改变;而外部模态则主要指无人直升机运行环境,如大气扰动对无人直升机飞行模态带来的影响,如图 5所示。

图 5 健康与环境等级的构成 Fig. 5 Constitution of health and environmental level

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本文以内部模态中的传感器故障和舵机故障为例,讨论如何将之量化以得到能描述它们当前状态的健康程度等级。内部模态的其他影响要素,以及外部模态决定的外部环境状况等级,具有相似的处理过程,故不再赘述。

传感器/舵机的健康程度等级量化方法如下:

① 列出所有传感器类型,按其数据重要程度进行排序,然后根据排序赋予不同的权重值。

② 对各传感器可能故障类型、故障程度进行预判,并按如图 6(a)所示评估尺度进行评分。

图 6传感器、舵机的健康程度评估尺度 Fig. 6 Health rating scale of sensors and servos

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③ 将第②步得到的各传感评分值与第①步中的相应权重相乘,将其中最差(量值最大)的一个分数作为表征所有传感器整体健康程度的量化值。

同理,可获得所有舵机当前健康程度的量化值(见图 6(b))。将以上获得的量化值绘制为图 7,则可确定无人直升机内部健康程度等级。大气扰动等级也采用类似的处理方法。

图 7 无人直升机内部健康程度等级划分 Fig. 7 Internal health grading of unmanned helicopter

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3) 响应类型

响应类型是飞机对控制输入的响应形状的分类^[16]。与有人驾驶直升机类似,无人直升机的响应可分为角速率、平移速率、升降率和姿态角 4种基本型式^[1],它们又与稳定性(保持功能)相结合,构成无人直升机的多种响应类型型式,其中包括姿态保持、高度保持等保持功能型式以及更为高级的功能型式,如ACAH等。此外,无人直升机在执行任务过程中,往往需要多种型式的响应类型,因此根据稳定程度,又可构建由低级到高级的6种响应类型的组合型式,如表 4所示,其中各响应类型的具体含义参见文献^[1]。

飞机的响应形状应与所要求的飞行任务相匹配。最好的响应形状是由飞行任务决定的。因此,为了获得良好的飞行品质,在飞行控制系统设计时,必须正确选择和设计飞机的响应类型,并与所对应的飞行任务相适应。

无人直升机具有手控和程控2种基本操纵模式。因此,从操纵模式出发,无人直升机飞行品质的评估可分为2类基本方法:

1) 主观评估。在工作条件(手控模式的飞行模拟或飞行试验)下,由操纵手评估。此时,完全可以按照有人驾驶直升机的库珀-哈珀(C-H)评价尺度和标准^[9]进行评价或认定。

2) 客观评估。利用无人直升机的数学模型或试验的测试数据进行飞行品质数值仿真评估或半物理仿真评估^[17]。此时无人直升机主要处于完全自主飞行模式下,通过预设干扰或运行过程中实时注入,以激励系统产生充分的响应数据,然后在这些数据的基础上,利用相应的评估准则和数据处理技术,检验第3.2节所提出的各类指标要求。

试验试飞是无人直升机飞行品质评估最直接和有效的方法,但是其要求进行广泛的飞行试验,这些试验耗费财力和时间,因此,数值仿真是对试验试飞的一种有力补充。但也应注意到,数值仿真是基于数学模型的,而实际的数学模型总不可避免存在着不确定性,为了获得可信赖的数值评估结果,在控制律设计时必须考虑不确定性的影响,这也是本文提出鲁棒性评估指标的根本原因。

在获得数值仿真或试验试飞数据之后即可进行数据处理。根据数据处理基于的思想、目的不同,可分为不同评估准则^{[16, 18]}。总的来说,适用于无人直升机飞行品质评估的准则如表 5所示。

本文研究了无人直升机飞行品质要求中涉及的最基本方面,探讨并明确了无人直升机飞行品质的定义、研究内容和影响因素,提出了无人直升机飞行品质的指标体系、评估架构以及适用的评估准则。但是,由于目前该领域国内外积累的试验数据较少,使得本文提出的各项指标具体数值或其范围难以确定,因此,后续的工作将围绕典型科目进行试验试飞以及数值仿真,以获得更为丰富的试验数据,将这些要求转化成为具有更强操作性的无人直升机飞行品质规范。