孔令贺 王鑫豪
陆军航空兵学院
【摘要】无人直升机借助旋翼可以在狭窄的空间内悬停和垂直起降，可以执行固定翼飞机无法完成的各种空中任务。然而,无人驾驶直升机的振动干扰造成的身体和转子旋转飞行环境中飞行的一个重要问题来研究无人直升机的飞行控制系统,也是一个重要因素影响测量精度的导航系统的无人驾驶直升机。因此，本文研究无人机旋翼干扰导航测量的关键技术，以实现无人机在旋翼干扰下的自主可靠导航，为无人机高精度导航系统的工程实现提供理论依据和方法参考。
【关键词】无人直升机 旋翼扰动 导航测量技术
无人直升机（Unmanned Helicopter，简称 UH）作为现代飞机的重要分支，近二十年来不仅在国防建设中发挥了重要作用，而且在国民经济建设中得到了广泛的应用。与传统的固定翼飞机不同，无人直升机是一种动态、灵活的无人机。它的特殊飞行模式包括垂直起飞和降落，悬停和翼飞行，使它在执行任务时更加灵活。同时，无人直升机还能实现超低空飞行，规避敌方雷达的探测和跟踪，对战场具有很强的适应能力[1]。它们可以完成许多固定翼飞机无法完成的任务，弥补固定翼飞机在飞行距离和使用上的不足，最大程度地满足各种军事需求。此外，与有人直升机相比，无人直升机在执行低空对地侦察和对地攻击行动时，能够有效避免人员伤亡和经济损失，在使用上具有更大的优势。因此，无人直升机已成为发达国家飞机发展的热点。
一、无人直升机旋翼扰动的国内外研究现状
1、无人直升机的发展现状
作为无人机家族的重要分支，无人直升机早在20世纪50年代就在美国研制成功。与此同时，英国、加拿大、德国、俄罗斯等国较早开展了这项研究。在20世纪50年代，美国海军第一次尝试改装无人机，改装出了第一架运输无人机。然而，由于无人直升机运动的复杂特性和当时自主导航控制不完善的技术限制，导致无人直升机故障率高，研究相对缓慢。
20世纪90年代，随着军事战争思想的转变和全球卫星导航技术、通信技术等现代技术的发展，许多发达国家加快了无人直升机的发展，无人直升机开始进入实用阶段。进入21世纪后，世界各国包括发展中国家都高度重视无人直升机的开发和应用，投入了大量的人力、物力和财力开发无人直升机相关技术。在十多年前的无人机国际市场上，一度占据主导地位，甚至对我国的引入进行无端阻拦。我国无人直升机的发展起步较晚，但也不太落后，并取得了一定的进展和成果，广泛应用于军事和民用领域。不可否认，我国无人直升机的技术水平与国际水平还有一定差距，突破发达国家基于自主创新的技术封锁迫在眉睫。
2、旋翼扰动的导航测量技术的发展现状
对于无人机来说，导航系统是其最核心的系统之一，可以帮助无人机在飞行过程中进行精确定位。
近年来，随着硬件技术的快速发展，多传感器组合导航的数据处理技术也取得了长足的进步，基于线性卡尔曼滤波理论和并行滤波理论的多传感器最优滤波理论得到了前所未有的发展[2][3]。结合的特殊问题导航测量由无人驾驶直升机旋翼的旋转,使用多传感器最优滤波理论进行有针对性的导航测量系统技术研究无人驾驶直升机旋翼的干扰下,这是非常重要的提高无人直升机综合导航系统的性能。
二丶进行无人直升机旋翼扰动的意义
直升机以其飞行灵活、战场适应性强、性价比高等优点，成为发达国家和发展中国家飞机发展的热点。
从无人直升机的任务和需求来看，惯性导航、卫星导航和空中数据系统导航各有利弊，谁也无法替代谁。那么，在实际飞行过程中，无人直升机旋翼旋转对导航系统影响的测量是一个不可忽视的问题。因此，针对无人直升机旋翼扰动的关键导航技术的测量可以使现有导航技术更具有参考价值，是进一步提高无人直升机导航性能的有效措施。
三、针对无人直升机旋翼扰动测量技术的相关研究
1、组合导航方案及振动环境下捷联导航算法研究
由于无人直升机的高机动性和灵活性，以及旋翼旋转引起的飞机振动和外部飞行环境的干扰，要求无人直升机导航系统具有高精度和高可靠性。机载惯性/全球定位系统组合导航系统是实现无人直升机自主导航和测量的关键系统。捷联惯性系统(捷联惯性系统)捷联惯性系统(SINS)捷联惯性系统(SINS)捷联惯性系统(捷联惯性系统)是无人直升机的首选导航系统，具有连续提供姿态、速度和位置参数的独特优势。然而，在无人直升机的实际飞行中，旋翼旋转对导航系统测量的影响不容忽视。对于惯性导航系统来说，转子旋转会引起机体的强烈振动，从而导致惯性导航系统的动态误差显著增加。
3、惯性/GPS 组合导航系统杆臂效应误差建模及补偿方法
在某无人直升机的惯性/GPS组合导航系统中，为了避免旋翼转动对GPS天线的影响，GPS天线的安装位置通常与惯性导航系统的不同，从而导致外杠杆臂效应的误差[4]。另一方面，在无人直升机飞行过程中，旋翼转动引起的机身强烈振动，很容易导致IMU的安装位置偏离机身质心。特别是无人直升机有角运动时，会出现加速度计的测量误差，即内部杠杆臂效应的误差。
在现有的内臂效应误差补偿研究中，有许多关于内臂效应误差补偿的研究。因此，本章重点研究了杆臂效应误差的外补偿算法，并建立了相应的滤波估计模型，实现了无人直升机旋翼扰动环境下杆臂效应外误差的估计和补偿，提高了无人直升机飞行过程中惯性/GPS组合导航系统的精度。
4、旋翼扰动下气压高度解算算法研究
大气高度阻尼回路是组合高度测量系统的常用方式。但由于直升机旋翼的扰动，直升机机身周围的气压和气压会发生变化，进一步影响大气数据系统测得的大气静压数据，导致气压高度不准确[5]。因此，本章在研究无人直升机气压高度解码算法和传统阻尼算法原理的基础上，设计了无人直升机惯性/大气组合导航的滤波模型。通过估计和补偿压力高度误差，测量惯性高度通道的高度，有效提高惯性高度通道的测量精度。
【总结】本文分析了惯性导航系统中旋翼扰动对高度通道测量精度的影响。针对旋翼旋转对大气环境的干扰以及大气压力和大气传感器引起的大气压力变化，研究了适用于无人直升机的大气高度测量原理，建立了大气高度测量的误差模型。基于传统模型的分析基于气压高度阻尼算法,一个惯性/大气组合滤波算法设计,实现在线估计和补偿的气压高度误差,提高测量精度的惯性导航系统的高度通道。
【参考文献】
[1]戴怡洁. 针对无人直升机旋翼扰动的导航测量关键技术研究[D].南京航空航天大学,2017.
[2]曹娟娟,房建成,盛蔚,陶冶.低成本多传感器组合导航系统在小型无人机自主飞行中的研究与应用[J].航空学报,2009,30(10):1923-1929.
[3]赵琳,王小旭,丁继成,曹伟.组合导航系统非线性滤波算法综述[J].中国惯性技术学报,2009,17(01):46-52+58.
[4]Guo-bin Chang,Ming Liu. Hybrid Kalman and unscented Kalman filters for INS/GPS integrated system considering constant lever arm effect[J]. Journal of Central South University,2015,22(2).
[5]Jing Juan Zhang,Wei Liu,Ming Yi Liu. Design of Wind Speed Measurement System Based on Integrated Navigation and Atmospheric Data Fusion[J]. Applied Mechanics and Materials,2014,3006.