一飛論空航| 冷門的有人直升機無人化改造最難懂?資深老司機十分鐘教你get新技能
一飛論空航
2017-04-28
友情提示

本文干貨十足,需要一定航空背景方可較快理解。作者吳廠長系中科院沈陽自動化所博士,8年無人機前沿領域老司機【資深專家】,改機無數,現任一飛智控(天津)科技有限公司研發中心總監。

世界上總有那么一小撮人在干著一件冷門、難于常人理解的事兒而樂此不疲。


早年通航領域里相對小眾的無人機市場,堪稱“養在深閨人未識”,而今也已變成一片紅火。難道還有比這更冷門的?今天一個資深老司機教你get一項新技能——有人直升機無人化改造。


時至今日,有人直升機無人化改造仍然是一個不被大眾所熟知的技術領域。原因在于1)特定的應用范圍導致客戶群體并非大眾用戶 2)相關方向的介紹和報道都比較有限。


但從整體趨勢來看,不管是一直持續旺盛的軍事應用、不斷探索的大范圍勘測,還是到現在日益關鍵的物流運輸,有人直升機無人化改造是一個被實際需求不斷推動發展的滾動雪球,未來前途是星辰大海。

本文將嘗試從為什么需要進行有人直升機的無人化改造、有人直升機無人化改造的流程方法有什么特殊性三個方面,對這一方向進行簡要介紹。一方面希望剝開罩在它身上神秘的面紗,讓大眾認為遙不可及的龐然大物變成你我都能理解接受的一種工具,同時也希望能夠吸引更多的有志青年加入這一隊伍,從新手變成老司機,共同推動這一方向的發展。


1. 為什么要將有人直升機進行無人化改造?


要回答這個問題,借用小岳岳說相聲時的一句臺詞:小怎么了?小難道就滿足不了你了嗎?停住打岔,用一句話來概括:因為我們需要大型無人直升機!


注意!這不是一句玩笑話。因為這個回答又涉及到兩個復雜一點的問題:一是為什么我們需要大型無人直升機,二是為什么需要大型無人直升機就要進行有人直升機的無人化改造。


如果你還沒被繞暈,接著往下看。

首先我們先對大型無人直升機進行簡單的定義,大型無人直升機顧名思義所謂的“大”主要體現在三個方面:一是載重大 目前一般的旋翼無人機載重十幾公斤,大型無人直升機至少得奔著100公斤去;二是飛行時間長 目前一般的旋翼無人機續航在半個小時左右,大型無人直升機根據載荷和油料的配比,續航時間可達到2-4個小時;三是飛行半徑大 覆蓋范圍至少也是20km以上。


雖然目前多旋翼占據著無人機市場的大半壁江山,但大型無人直升機在一些特定的應用場景依然無法替代,而這些場景主要特點就是上述三個特點:大載重、長航時、覆蓋廣。大型無人直升機的應用早期主要由軍事應用牽引,替代有人直升機執行戰場任務,實現戰場零傷亡是其主要目標,同時智能化是主要出發點。

美國黑鷹直升機

基于此,只需要大型無人直升機的主要原因,也是考慮到因為軍事應用中許多的任務載荷的重量,還有飛行時間的要求,使得小型無人直升機無法滿足要求。


戰場環境下的軍事應用以戰術偵察、生化偵察、精確目標定位與打擊、配合艦船反潛等為主。在這些應用中所需掛載的設備,如光電吊艙重量普通在40公斤以上,掛載的最輕型導彈單個也在20公斤以上,通常的作戰任務不可能只搭載單種任務載荷,大部分情況下是多種任務載荷的配合作戰,這對無人直升機的載重量要求隨任務的復雜度要求更高。除了軍事應用外,針對長距離復雜環境下的物流運輸、大范圍的森林防火等應用,都需要大載重量和長航時的大型無人直升機。


了解完大型無人直升機的應用領域后,我們現在知道這家伙其實相當重要。那么,為什么不通過正向直接設計進行大型無人直升機的研發,而必須通過有人直升機無人化改造來實現呢?簡單說起來就是受限于當前的技術水平瓶頸,直升機結構設計太復雜了,臣妾做不到??!


直升機的結構設計復雜度主要集中在發動機及傳動系統設計、機身氣動布局設計、旋翼頭傳動以及旋翼變距揮舞鉸的設計等多個方面,一個成熟直升機型號的設計所要經歷的過程復雜程度遠非現在常見的多旋翼無人機所能比擬。


目前,通過正向結構設計實現的最大載重無人直升機以奧地利Siebel公司的S100為代表,其最大載重量也僅僅50公斤,這一指標基本是目前正向設計無人直升機的極限。


正面不行,那么另一個開發途徑就只好選擇有人直升機無人化改造了。無人化改造的基本思路是沿用有人直升機的發動機、旋翼、傳動等主體結構,通過對其進行結構改造和電氣改造,加裝飛行控制系統,即可實現無人自主飛行飛行。

火力偵察兵

這其中最成功的案例當屬“火力偵察兵”。它是目前世界上已裝備使用的最先進的無人直升機,美國海軍的目標是將“火力偵察兵”發展成為一種多功能武器系統,承擔海上巡邏偵察任務,進行反潛、反艦和反水雷作戰,是海軍艦艇的有力支援。


火力偵察兵先后發展了多個型號,RQ-8A到MQ-8B到MQ-8C:早期版本RQ-8A保留了Schweitzer 333有人直升機的主體結構、發動機、旋翼和傳動系統等主體結構,同時對外形進行重新設計以提高飛行速度,對油箱進行改進以增加續航時間,最終起飛重量可達1200kg,該機在2002年1月完成首次飛行后,于2005年7月成功試射2枚MK66型無制導70mm火箭彈,初步證明了其軍事價值。后續的MQ-8B和MQ-8C針對更大任務載重量的要求,重新選擇了兩款有人直升機進行無人化改造,但是仍保留了類似的飛行控制系統和體系編號。


除此之外,目前最有名的幾種型號大型無人直升機還有無人小鳥OH-6、K-Max等,都是基于有人直升機進行改造,全部由美國軍方支持開發。火力偵察兵和無人小鳥的研發由海軍主導,主要面向艦載應用,實現近距離反潛作業,主要的技術關注點也在于自動艦載起降方面,K-Max的研發由陸軍主導,主要考慮戰場物資運輸,著重考慮飛機在吊掛重載荷下的穩定性。

一飛智控MQ-300

火力偵察兵的技術成功,也推動了國內相關單位有人直升機無人化改造的工作:濰坊天翔航空聯合相關單位實現了國內首架有人直升機無人化改造V750,中航工業直升機所的AV500、AV1000,總參60所的Z5、Z6,一飛智控的MQ-300,中科院沈自所的翔鷹-200都是在有人直升機的基礎上進行無人化改造形成的大型無人直升機,更大型號的有人直升機無人化改造工作也在逐步推進。這些型號的大型無人直升機在軍事偵察、森林防火、海事巡邏等方面都進行了大量的應用,逐步形成了體系化、成熟化的平臺。


結論

當然有人直升機無人化改造也并非十全十美,由于載人的需要,有人直升機設計會考慮一些額外的結構設計,會造成部分有效載重量的浪費,但從目前階段來看總的來說利大于弊。




2. 無人化改造的具體流程和關鍵點是什么?


現在是作為一名老司機“吹噓”的榮光時刻了:看著一架大型直升機在那無人自主飛行,聽著旋翼和發動機轟鳴的聲音,盡管經歷過多架飛機的改造和多次的飛行,但每次仍會感覺震撼。


這種聲音配合下的現場感遠非不在現場的人員所能理解,這種震撼其實無形中也拉開了觀眾和大型無人直升機之間的距離。別急,這次老司機就以MQ-300無人化改造過程為例,通過對其中一些關鍵技術和流程的介紹,希望有志之士能夠加深認識,早日加入我們老司機的行列中來。

飛機本體結構改造a

目前有人直升機無人化改造的對象在直升機譜系中屬于輕量級,這一級別飛機的特點有兩個:1)發展歷史較長,飛機本體相對成熟,飛機本體的技術經過了眾多的直升機駕駛員的驗證;2)機體操縱機構以連桿傳動操縱為主,并不具備在中型、重型還有商務型載人直升機上普遍采用的電傳機構(電傳操縱機構是實現直升機輔助駕駛或者自動駕駛的基礎)。


飛機結構改造的第一步即是進行傳動機構的電傳改造工作:1)改造工作首先是針對原有手動駕駛傳動機構進行分析,摸清楚傳動操縱的基本結構布局 2)而后結合機體布局和具體的連桿機構選擇合適的地方下手,確定操縱執行舵機的安裝位置,然后拆除部分不需要的有人駕駛操縱機構3)最后就是設計舵機的安裝方式、與操縱連桿的配合方式。

BL S254舵機

傳動機構改造中風險最大的點即是舵機類型和舵機參數的選擇。考慮到目前改造的直升機以輕量級飛機為主,一般不會采用液壓驅動器,而是以電傳舵機。電傳舵機又分為旋轉舵機和直線舵機兩大類,這兩者并無優劣之分,主要考慮到與原有連桿機構的配合便利性,同時還需要考慮到操縱的線性度。此外根據的飛機和連桿結構,對舵機的具體指標參數要求會有很大差異,通常來說根據旋翼、連桿能夠進行粗略的舵機扭力或者推力計算,以此為參考進行舵機的初步選型;在隨后的飛行試驗中,即可通過舵機反饋的實際輸出力矩值確認實際需要的參數指標。


在MQ-300中我們采用了旋轉式操縱舵機,同時舵機配備了電流反饋,可以實時進行舵機輸出力矩的監測,用于確認舵機的實際輸出力矩在舵機標稱范圍內,保證飛行的安全。主旋翼采用三個舵機進行驅動,油門和尾旋翼采用單獨的舵機進行驅動,所有舵機采用485總線進行控制,可以實時監測舵機的位置、電流、電壓等反饋信息。



MQ300操縱舵機的傳動結構設計

在完成傳動機構改造后,針對無人直升機任務載荷的需求以及飛行速度的要求,可能還需要對飛機腳架、飛機總體外形氣動布局進行調整,這些改造的過程會涉及到直升機氣動力學、振動力學等多種因素,通常都是結合仿真分析和實驗進行測試確認。

飛行控制系統集成b

傳動機構和機身結構的改造代表著直升機具備了無人直升機基本的手腳和身體,要實現全自主飛行所缺的大腦就是飛行控制系統。對飛行控制系統的要求從任務層面上來劃分:最底層的發動機轉速控制、飛機航向穩定控制、機體狀態監控是基礎,手動操縱輔助控制是入門,懸停控制算及格,具備了航線飛行、自動起降、故障診斷與容錯就算是優秀,更進一步的環境感知屬于加分項,技術發展的道路沒有盡頭。


從飛行控制系統涉及的技術點與普通無人機類似:1)傳感器是基礎,包含IMU、GPS、氣壓計、磁羅盤、溫度傳感器、壓力傳感器等等,這此傳感器監測飛機的機體狀態和飛行狀態,作為反饋提供給飛行控制系統;2)飛行控制律是核心,需要結合所有反饋的信息,按照設計的飛行任務,進行控制律的計算;執行機構即上述的舵機執行控制律計算的結果操縱飛機按照設定任務進行飛行。

當然,所不同的是對飛行控制系統穩定性的要求非常嚴格。一方面是標準,目前的大型無人直升機主要面向軍事應用,安全性能要求自然得按照軍用標準來,另外一方面也是由于大型無人直升機成本較高,摔機后的風險過大,要盡量保障飛行安全。


為滿足這一要求,從傳感器系統的冗余設計,到控制器的冗余設計,甚至到執行機構的冗余設計都要綜合考慮。結合具體的飛機本體、應用場合、系統成本,進行針對性的冗余設計是常用做法。


一飛智控Finix3000直升機飛控

從具體的技術特點上來說,關鍵的技術是飛行控制律的設計。大型無人直升機的旋翼頭、主旋翼、尾旋翼與小型無人直升機相差甚遠,從飛機的氣動力學模型和小型無人直升機差異巨大,操縱響應延時、通道耦合等因素無疑都使得大型無人直升機的控制律設計更加復雜,外加上飛行試驗的高風險性使得控制律的調整更加困難,通常來說需要有一定的系統辨識、控制理論、直升機動力學等相關的技術積累才能保障控制律設計的合理性、有效性。


所以,一般會在無人化改造之前,通過有人直升機駕駛員試飛搭建傳感器進行飛行數據采集,根據飛行數據辨識建立初步的動力學模型以供飛行控制律設計參考。


指揮控制技術保障車設計c

指揮控制技術保障車主要用于為無人直升機提供指揮控制、儲存運輸、保障服務。保障車的主要原因是無人直升機體積過大,轉產運輸需要專門的車輛和結構設計,通過在車體上加裝方艙、液壓升降臺,可實現將無人直升機搬運至方艙內部,將方艙內部空間用于儲藏運輸無人直升機、載荷及其他設備。


在車中同時也集成了地面指揮控制系統,用于完成無人機飛行狀態的在線監控、無人機任務指令的發送、無人機任務載荷的操控和圖像實時接收處理。1)地面控制系統可以完成無人機軌跡設定、遙控指令下達、直接遙控操作、無人機飛行軌跡顯示、飛機狀態顯示、任務載荷圖像實時顯示/存儲/離線檢索回放等一系列功能。2)測控系統通常由專業數據鏈路供應商提供,分為機載端和地面端,地面端集成在地面指揮控制系統中,實現指揮車與無人機的實時通訊,支撐上述各項功能的具體執行。

飛行測試流程方法d

飛行測試是有人直升機無人化改造的最終環節,也是檢驗所有改造工作的關鍵環節。由于大型無人直升機系統的復雜性,飛行測試必須遵循一定的流程規范,將各個環節的風險降至最低,不將遺留問題帶到空中。

從飛行試驗的安全考慮,無人直升機的飛行試驗按照循序漸進的原則,通過逐步驗證,降低飛行試驗的風險。具體的飛行試驗階段包括航電安裝集成靜態聯試、地面固定系留飛行測試、首飛測試、調整測試、驗收測試等多個環節。


將所有相關設備進行集成,確保系統的功能正常穩定。集成的內容包括飛行控制系統、電氣系統、電源管理系統、舵機控制器、飛機改造結構、飛機本體等多個環節。1)首先是要確保按照系統設計要求,各個模塊能夠正常工作,達到全系統聯通狀態;2)其次是調整輸出舵機行程范圍、標定傳感器范圍、測試系統功耗、長時間拷機評估系統穩定性,這其中的每一項工作都需要電氣工程師、結構工程師等的協調配合,針對在設計初期沒有考慮到的集成問題進行現場處理。


無人直升機不同于其他裝備的區別就在于飛機啟動后,發動機和旋翼均處于高速旋轉狀態,會產生較大的振動和電磁干擾,嚴重時會影響機載航電和舵機機構的正常工作。


地面系留飛行測試,就是在保證飛機安全的情況下,通過地面試車驗證發動機控制的穩定性、機載航電設備的穩定性,同時通過近地起飛測試驗證舵機輸出力矩在合理范圍內。


系留通過分為兩個階段:第一階段是將飛機固定綁死在地面,啟動飛機發動機,低速旋轉確認所有傳動系統和航電系統正常工作,而后發動機轉速控制介入工作驗證發動機轉速控制律;第二階段是飛機通過系留繩綁在地面,允許一定的活動空間,無人機操縱手嘗試通過遙控器控制飛機起飛降落,初步調整輔助飛行控制律。經過這兩個階段的長時間驗證,表明飛機已經具備了放飛的能力,可以轉入首飛測試。

由于大型無人直升機尺寸和起飛重量均較大,首飛測試一般選擇比較空曠的民用機場確保飛行測試周邊空域無明顯障礙物,事先申報空域確保不影響通航安全。


首飛測試時飛機不再受地面系留約束,可以進行自由飛行,由無人機操縱手在輔助飛行控制的幫助下,嘗試將飛機升空進行簡單的操縱,確認飛機前后、左右、上下、轉向等基本的飛行動作是否可控。

同時結合事先設定的控制律嘗試進行懸停飛行。此時作為無人機操縱手的壓力是巨大的,需要在控制律出現異常需要調整時能夠及時切換到手動遙控飛行模式,將飛機安全降落。


在飛機懸停和小機動飛行正常后,即可逐步放開速度限制,逐步測試飛機航線飛行能力,驗證飛機的最大飛行速度。自主起降測試通過會放到后面階段待飛行控制律穩定后開展。首飛測試的完成標志就是飛機具體了基本的自主飛行能力,初步實現了從有人直升機向無人直升機的轉變。


調整測試則是針對首飛測試的問題進行調整,逐步驗證飛機的所有指標,同時針對一些特定任務需求還需要與載荷系統聯試。這一階段的工作更加繁重,需要測試無人直升機在不同地區、不同海拔、不同環境下的性能指標,針對測試過程中發現的各種問題進行調整改進,直至滿足要求。最后能夠根據指標要求完成驗收測試是有人直升機無人化改造的標志性節點,標志著飛機改造成功。

未來無人直升機的發展將超乎想象

結論

實際有人直升機的無人化改造,當然不可能只是如上面所說那么簡單,每個簡單的環節都可能成為改造工作中的攔路虎,但只要我們有團隊配合,愿意去深入地發現問題解決問題,有人直升機的無人化改造并非不可能。

一飛新聞