现实的飞鸟，朴素的人生，pydbbt广
(南京航空航天大学自动化学院，江苏南京211106 )。
由于舰载机着舰过程被认为是舰载机事故率最高的阶段，因此如何引导和控制舰载机，特别是无人机舰载机，以实现准确的着舰，一直是国内外研究者的研究热点。 阐述了无人舰载机采用的气动布局和无人舰载机开发的紧迫性和必要性，对国内外飞翼布局无人机的现状进行了研究，对比分析了自主着陆和着舰技术，指出了自主航母着舰控制技术的特殊性。 针对无人舰载机自主着舰过程中遇到的复杂风切变、甲板运动和航母条件的限制，分析了舰载机着舰过程中控制和制导技术的难点，阐述了自主着舰控制关键技术和解决方法的发展历程和现状，并对自主着舰技术的发展进行了展望。
: TP273文献识别码： adoi:10.19358/j.ISSN.1674-7720.2017.04.003
引用格式：现实的飞鸟，朴素的人生，pydbbt广.飞翼无人机自主着舰控制技术综述[J] .微型车与应用，2017，36 (4):7-9，13。
0引言
美国和欧盟等发达国家一直致力于研究具备攻击和隐形优势的飞翼式无人机的技术。 无人机飞翼布局适合航空母舰空间要求小的特点，有效载荷大，滞空时间长。 由于机翼融合飞机布局的气动效率，没有垂直尾翼，阻力小，舰载无人机多采用这种布局。 目前，诺斯罗普格鲁门公司研制的X47B型无人机战斗机已完成岸基起降试验、舰载发射起飞、“触舰复飞”试验和海上拦截舰试验，这标志着美国海军舰载无人攻击机演示验证项目(UCASD )计划的成功实施X47B作为美国海军重点发展的未来航空兵力和“空海一体战”的重要支撑平台，凭借其超长距离的航程、强大的自持力和高度的隐身性，将极大地推动航母舰载航空兵的历史性变革，彻底推翻未来的海空作战模式。
1翼无人机的发展现状
美国的x45a是美国国防高级研究计划局和空军共同与波音公司签订的合同，作为Jointun Manned Combatair Systems (JU CAS )项目的一部分，波音公司的“幽灵”团队共计2架x45a型无人值守。
鲁门公司的x47b方案进行了海军无人机作战航空系统验证机(UCASD )计划的竞争，海军最终选择了x47b方案。 2011年5月，美国海军NUCAS项目进入第二阶段，波音公司正是利用“鬼鬼鲫鱼”的方案积极参与投标的[1]。
诺斯罗普格鲁门公司展示了自行筹资的X47A项目，于2002年7月进行了首次滑行试验，该项目被整合到国防部的JUCAS项目计划中。 2004年8月，美国国防技术研究局批准了3架无人机战斗机的演示和操作评估。 2005年6月成立了X47B项目。 在2007年8月X47B赢得了海军无人机作战航空系统验证机(UCASD )计划的竞争。 X47B共进行了4次实验，其中2次成功[2]。
欧洲想通过无人战斗机的发展赶上美国，但由于经济实力的限制，采用了跨国合作共享风险的合作模式。 Neuron UCAV )是法国武器装备机构发起的4亿5000万欧元的两年研发计划，由欧洲六国共同组成了研发团队。 德国一方面以削减国防费用为理由不参加Neuron UCAV无人战斗机，另一方面自己开始开发“梭式”无人机，直接与Neuron UCAV竞争，试图让孤独的洋葱和rydxrk进入自己的阵营。 孤独的洋葱通过SHARC和FILUR无人技术验证机掌握了一些关键技术。 由于德国拒绝出资，瑞典负担不起新一代战斗机的开发，参加了合作。 法国陷入了二战以来最严重的经济危机，意大利几乎被发达国家驱逐出境，因此Neuron UCAV的前景不容乐观，值得关注其对达索未来的影响[3]。
雷神无人战斗机(Taranis UCAV )是2006年9月英国国防部与BAE系统公司签署的1.4亿英镑的4年研发合同。
英国BAE与法国达索公司为首的研发团队合作，与雷神共享神经元无人机的开发，已经开始未来作战无人机项目第一阶段的论证验证，计划在2016年结束后进行项目发展决策[4]
中国在部署机翼的无人机战斗机实际工程控制技术研究中，设计并制造了中航工业部署国内首架机翼的隐身无人攻击机“剑”，2013年11月12日在西南某飞行路基基地完成首次飞行，飞行时间20分钟[5]。
2自主着舰控制技术难点
目前，在陆基着陆中，无人机自主着陆方式主要有轮式起降、弹射起飞、伞降回收两种方式。 对于轮式起落架，弹射起飞、伞降回收对场地要求不大。 在轮式着陆中，以色列苍鹭无人机采用轮式着陆方式，无人机与陆基自主着陆相比，航母的自主着舰有其自身的特殊之处。
)1)着舰平台不同。 航母甲板和海面有高度差，甲板在运动，舰载机接近甲板时，气流环境比较复杂。
)2)着舰精度要求比陆地高。 舰载跑道和陆地着陆均为3.5，接近着陆地点200~300 m左右时，飞机逐渐被甜蜜蜜的八宝粥包裹，着陆时的下沉率为0。 舰载机着陆、下降时必须始终保持3.5。 舰载着陆的这个区域有四个区块，在着舰区域的四个区块中，最安全的着舰是第二个区块和第三个区块之间的区域。
其着舰区域的范围大概是42 m左右，也就是±20 m这个误差，比陆地的着舰±100 m的精度标准要严苛得多。(3)着舰过程中低速状态下的可操纵性弱；飞机的下滑速度要比在陆地上下滑的速度低50~80 km/h，尽管舰载机的机翼面积比较大、翼载荷比较小、相对安全的迎角和速度范围更宽，但在整个下降过程中，依然处于一种亚安全状态，一旦飞机出现偏差，可供修正的操纵权限非常小。
F/A18舰载机完整的自主着舰过程为：(1)在接到着舰许可之前，着舰机在距航空母舰27.8 km处按照设定的甜蜜的春天航线飞行等待；(2)接到着舰指示后， 舰载机从进场点开始一边降低飞行高度，一边左盘旋飞行， 在距航母舰尾15 km处时，高度降到 360 m；(3)保持飞行高度到距舰尾9.25 km时，放下尾钩， 并进入着舰航线，飞过航空母舰上空后，左转180°，降低飞行高度速度；（4）在距舰尾5.6 km时进入自动着舰引导系统（ACLS）下滑引导段，如图1所示。如果需要复飞， 着舰机需先上升到360 m高度后，再次进入着舰航线［6］。
3自主着舰控制技术现状
3.1轨迹生成技术
由于在整个着舰过程中飞机受到复杂气流、甲板运动、起落架和拦阻索的实际条件的限制，需要对进场速度、下沉速度、拦阻速度等各个约束条件和影响情况进行性能分析，找出最佳着舰的轨迹，用于舰载机着舰轨迹的生成。
舰载机进场速度大小直接影响到飞机安全性，航母拦阻索对飞机的速度有限制，需要通过对不同拦阻索的试验，得到载荷与距离的测试数据，用于舰载机动力学建模以及仿真的研究。舰载机的下沉速度是飞行控制目标值、起落架载荷和飞机重量的综合性设计输入，在舰载机下沉速度上，美国根据海军的使用情况，给出了舰载机下沉速度的设计标准和经验计算公式。参考美军标准，沈阳飞行控制研究所研究了舰载机的下沉速度，并且根据美军标公式和国外型号舰载机的着舰速度性能数据进行了数据计算和着舰影响分析［7］。北京航空航天大学通过实际着舰试验得出不同状态下多型舰载机的下沉速度、进场速度等参数的实测数据，并且根据舰载机的进场速度约束分析，提出了参数适配性的概念，分析了舰载着陆的最大迎角、着舰下滑角和拦阻距离三种因素，得到质量与速度的适配性曲线，研究结果表明通过增大预设拦阻力和提高飞机的低速气动特性可有效地增加飞机的最大着舰质量，扩展适配包线的范围，从而提高飞机着舰的安全性，但是下滑角大小的改变对着舰最大质量的影响不大［8］。
在轨迹在线生成方面，按照实现轨迹最优控制的方式，可以分为间接和直接两种方法。在间接法上，非线性模型预测的方法能够解决轨迹高精度跟踪［9］，但是间接法依赖于假设条件，需要对复杂环境、干扰和噪声影响进行假设。直接法的主要思想是通过对控制向量和状态子集进行离散化和参数化处理，从而实现控制问题的简化，主要包括：直接打靶法、直接多重打靶法、动态逆法、配点法、微分包含法和伪普法。直接法虽然只能够生成接近最优控制的轨迹，但是该方法便于工程实现，比如移动目标优化动态轨迹生成和跟踪问题。
3.2制导与控制技术
飞翼布局的无人机由于无垂尾、展弦比小，具有横侧向静不稳定和纵横向耦合等特点，目前有两种方式来改善系统的稳定性，第一种方法是改变飞机整体气动外形，改变后掠角和展弦比来增稳；第二种方法是增加系统的增稳手段。在飞翼布局横侧向的增稳方面，采用了三种不同的方法：（1）通过开裂式副翼生产不对称阻力提供偏航力矩；（2）通过襟翼的上下差动偏转提供偏航力矩；（3）扰流片偏转产生偏航力矩，最后分别通过风洞实验结果，分析偏转对气动和稳定的影响，并验证了气动布局构型的可行性［10］。
飞翼无人机飞控律的设计上，波音公司的鬼怪团队对X45飞翼无人机控制系统的具体设计是，内回路采用基于积分的鲁棒伺服LQR线性控制算法，增强系统的抗扰动能力。外回路控制主要基于增益调度的PID控制算法，横侧方向航迹控制器的设计具有抗侧风能力，控制变量是侧向加速度，利用航线侧向距离、航向角偏差和偏航角等变量得到侧向加速度与航点实际加速度对比对无人机操纵面进行控制。纵向方向高度控制器的设计、控制器的结构分为两种，分别对应于飞行阶段的起飞、着陆和空中飞行，在空中航线飞行阶段，选用高度、高度微分和迎角等变量，经过PID计算得到给定俯仰角速率，计算得到对无人机舵面给定值进行控制。在着陆阶段时，选择高度和高度微分作为纵向回路的控制变量，迎角和加速度不再作为控制变量。鬼怪团队对X36型无尾验证战斗机和本身的系统组成架构以及其飞行试验的情况进行了描述［11］，该型验证机采用飞翼布局、鸭翼方式和先进的矢量推进喷口控制技术增加了飞机的机动性，导致飞机的纵向和横侧向都不稳定。针对X36型无人机的这种特性，采用动态逆控制的算法，这种算法给出了固定增益调度的模式，改善了非线性度和飞行参数的动态品质。同时为提高系统的安全性，引入了神经网络自适应的控制算法对目标进行修正，主要是对模型的不确定性和舵机不可预测性故障的修正，动态逆的控制方法依赖于气动数据的准确性，控制器的鲁棒性较差［12］。
在复杂环境的干扰方面，自抗扰控制器不依赖于模型的准确度，能更好地实现抗干扰，但是未考虑实际工程上的传感器测量精度以及执行机构等延时影响，控制器鲁棒性有限［13］。在抗风扰动方面，为解决飞翼布局在侧风和有限下沉风干扰时的轨迹和姿态跟踪问题，飞行控制器的设计必须具有较强的鲁棒性。目前有三种着舰方式：（1）侧航法；（2）侧滑法；（3）直接侧力法。在飞翼布局的无人机上，采用直接侧力控制方法［14］，机头鸭翼提供平衡侧滑所需要的侧力，同时利用开裂式副翼产生平衡偏航力矩，能够实现平稳着舰。而对侧航和侧滑两种着陆方式进行了比较，由于飞翼布局无人机上横侧向的不稳定性，当飞机出现侧滑时更容易产生较大的滚转角,
为增加横侧向的阻尼，采用卡尔曼滤波算法对侧滑角进行估计，并将侧滑角作为主控信号，分别采用H∞鲁棒控制器和自适应控制的方法，有效地解决了飞翼布局无人机在大迎角下机动控制问题，为解决复杂环境下飞翼无人机的自主着舰提供了思路［15］。
4展望
随着具有攻击和隐形优势的需求发展，具有舰载起降功能的飞翼式布局的无人机将成为未来发展的趋势。在飞翼布局无人机攻击机的自主舰载着舰控制关键技术中，在舰载机的测量方面, 采用基于引导雷达、伪距差分定位和红外探测融合的测量方法，将成为舰载机相对位置和姿态测量的重要手段；在制导与控制方面，在着舰低压情况和舰尾复杂气流下，通过发动机动力自动补偿技术，保持能量，平稳着舰；采用基于鲁棒伺服控制的进行型自适应控制算法，能够有效抑制航母舰尾流，实现舰载机着舰过程中空速和下滑轨迹的制导与控制。
参考文献
［1］ EARL C, MICHEL J. The DARPA/Air force unmanned combat air vehicle (UCAV) program ［C］.AIAA/ICAS International Air and Space Symposium and Exposition: The Next 100 years. Dayton, Ohio: AIAA Press, 2003:18.
［2］ JOHN R. Configuration design development of the navy UCASD X47B ［C］.AIAA Centennial of Naval Aviation Forum “100 Years of Achievement and Progress”. Virginia, VA: AIAA Press, 2011:15.
［3］ ROBERT H. Five Saab Aerospace UAV projects under way ［J］.Aerospace Daily & Defense Report,2004（211）:8.
［4］ HOYLE, C. Taranis advances to stealth testing as first flight slips ［J］.Flight International, 2012(181):15.