杨子江，潘向宁，李雪菲，付大康
（1.海军航空大学 航空基础学院，烟台 264001；
2.海军航空大学 航空作战勤务学院，烟台 264001）
无人驾驶飞行器旋翼是飞行器上的重要组成部分，多数动力设备安装在飞行器的旋翼上，由此可见旋翼直接决定了无人驾驶跨介质飞行器的飞行速度以及飞行位姿[1]。为了实现对飞行器实时飞行状态的高精度控制，以旋翼为控制对象，设计并研发了步进控制装置。步进指的是将电脉冲信号转换成相对角位移或直线位移的机电执行元件。现阶段使用较为频繁的步进控制装置主要应用了两相幂次趋近律、状态观测器元件以及数据驱动技术，其中基于两相幂次趋近律的步进控制装置主要利用两相幂次趋近律生成步进控制指令，基于状态观测器元件的步进控制装置，采用嵌入式的方式将观测器安装在控制装置内部，控制执行器通过对状态观测数据的分析，确定步进控制量，从而生成相应的控制指令。而基于数据驱动的步进控制装置，主要是对比飞行器目标任务运行参数与当前运行参数之间的差距，利用差值计算结果驱动控制装置产生控制指令。上述步进控制装置能够在大多数的无人驾驶飞行器中得到良好的控制效果，但无法适应飞行器的跨介质飞行方式，因此将其应用到无人驾驶跨介质飞行器旋翼的控制工作中，会出现明显的控制效果不佳的问题，为此在传统控制装置的计算上进行优化与改装，以期能够提高步进控制装置与跨介质飞行器之间的适配度，进而提升飞行器旋翼的步进控制效果。
根据无人驾驶飞行器旋翼在不同介质中的受力情况，结合飞行器的执行任务，设计飞行器旋翼的高精度步进控制装置。
1.1 无人驾驶飞行器旋翼运行传感器元件
在飞行器旋翼高精度步进控制装置中嵌入传感器元件的目的是检测当前旋翼的运行状态以及所处介质，为步进参数的调整提供参考。嵌入的传感器元件包括气压计、空速计和磁强计，在气压计中内置了一个能同时测量空气压力和温度的标定因子。气压计可以准确地测量气压值和温度值[2-3]。旋翼步进控制装置中的气压计是由内置压力电阻传感器来测量，然后由ADC 转换为24 比特的数值，由指令读出传感器储存在PROM 中的标定数据，并将所得到的两个24 比特数值转换为标准气压和温度值。气压计的操作指令包括：复位、读取存储器、转换气压值、转换温度值等。气压计在任意时刻测量的实际温度值可以表示为
式中：Tset和Tref分别为数值温度和基准温度；
κT为温度系数。
1.2 无人驾驶跨介质飞行器旋翼步进电机元件
无人驾驶跨介质飞行器旋翼步进电机的输出步数即为飞行器旋翼的转角位移量，该参数与输入的电脉冲数之间存在线性关系，通过增量运动完成加速、减速、停机等任务[4]。步进电机作调速使用，其力矩与功率之间的转换关系如下：
式中：ωStepping为步进电机的运行角速度；
A 为步进电机的运行力矩；
PStepping为电机功率。其中参数ωStepping的计算公式为
式中：nmac为步进电机的转速[5]。
分别从步距角、静力矩、电流等方面选择合适的步进电机，选择的旋翼步进电机元件的实时运行电压可以表示为
式中：UA和UB分别表示步进电机中两相绕组上的电压；
IA和IB为两相电流；
RA和RB对应的是两相电阻；
φr为电机转子的机械角；
Ee为步进电机运行时的反电动势；
δavg和δfun表示步进电机绕组自感的平均分量和基波分量。
由此完成飞行器旋翼步进控制装置中步进电机元件的选择。
1.3 旋翼高精度步进驱动元件
1.3.1 确定旋翼高精度步进驱动方式
无人驾驶跨介质飞行器旋翼步进电机的驱动方式可以分为差动式与偏动式2 种，在考虑步进电机工作原理、飞行器运行介质特征等因素的情况下，选用偏振型驱动方式，偏振型驱动器在一面是SMA元件，一面是弹簧，在SMA 受热时，它所产生的偏压力能克服弹簧张力，将驱动器推向一边；
在停止加热之后，SMA 逐步冷却，偏压降低，弹簧的弹性能克服SMA 所带来的偏压力，将驱动器移回原来的位置[6]。在整体平衡的情况下，在SMA 的拉力、气弹簧的弹力和驱动器的外力的影响下，当对SMA 丝加热时，所产生的驱动力必须能够克服气弹簧的弹力和外部负载的最大力，并将变换机构拉到最右边，即：
式中：Fdrive，max，Fthrust，max和Fpressure，max分别为驱动器的驱动力、推力和压力的最大值；
Lt为驱动器中气弹簧的长度[7]。
同理可以得出停止对SMA 丝加热时，驱动器的运行状态方程为
式中：Fpull和Fpull，max分别为拉力值及其最大值；
Felastic，min为最小弹力[8]。
在同一个步进驱动元件中，使用偏动式驱动方式能够产生更大的驱动力。
1.3.2 连接旋翼高精度步进驱动等效电路
为了保证无人驾驶跨介质飞行器旋翼的高精度步进驱动性能，将相关元件连接在一起，形成驱动等效电路，如图1所示。根据要求生成每一相的接通或断开的信号，由此实现电机在不同介质以及工作状态之间的切换，并且将该信号输入到信号放大器和处理单元[9]。推进级模块能够将小信号放大为一个能够有效地控制功率放大器输出的输入信号。
图1 步进驱动等效电路图Fig.1 Equivalent circuit diagram of step drive
1.4 飞行器旋翼高精度步进控制执行芯片
飞行器旋翼高精度步进控制芯片是优化设计控制装置中的核心部件，由耦合控制元件、转向控制元件、速度控制元件等多个部分组成，采用内-外联合控制的方式对控制元件进行连接，具体的连接方式如图2所示。
图2 飞行器旋翼高精度步进控制芯片连接结构图Fig.2 Connection structure of high-precision stepping control chip for aircraft rotor
1.5 无人驾驶跨介质飞行器旋翼高精度步进控制
将步进电机、运行传感器、驱动元件以及控制芯片等元件进行连接，并将其安装到构建的跨介质飞行器旋翼模型中，按照图3所示流程完成对飞行器旋翼的高精度步进控制[10]。通过步进控制完成飞行器的减速、加速、转角等飞行任务，以加速任务为例，控制的步进脉冲频率为
图3 无人驾驶跨介质飞行器旋翼高精度步进控制流程Fig.3 High precision stepping control flow chart of unmanned transmedia vehicle rotor
式中：νexpect和ν0分别表示飞行器步进速度的目标值与初始值；
tm为步进脉冲的发射周期。
选择基于两相幂次趋近律和基于状态观测器的控制装置作为实验的对比项，在不同的飞行任务中应用控制装置，判断飞行器旋翼是否能够按照既定指令产生步进脉冲，并测试飞行器旋翼实际运行参数与控制指令之间的误差。
2.1 生成跨介质飞行器旋翼步进控制任务
根据无人驾驶跨介质飞行器的飞行任务，生成步进控制任务，并标记控制目标参数。在考虑飞行器飞行状态的情况下，部分步进控制任务的设置情况如表1所示。实验共生成80 条飞行器旋翼步进控制任务，水平飞行状态和垂直飞行状态的控制任务数量均为40 条。
表1 飞行器步进控制任务设置表Tab.1 Setting of aircraft step control tasks
2.2 安装并调试步进控制装置
根据高精度步进装置的设置情况，将各个元件进行组装并连接到跨介质飞行器样机中。图4为飞行器步进控制装置的组装实景。将安装的高精度步进控制装置与电源相连，随机输入一个控制任务，观察步进控制装置是否能够输出对应指令，若控制指令成功输出，则证明步进控制装置调试成功，可执行下一步操作，否则需要对各个元件进行重新连接，直到控制指令输出成功为止。
图4 跨介质飞行器旋翼高精度步进控制装置组装实景Fig.4 Realistic view of the assembly of high-precision stepping control device for the rotor of the trans medium aircraft
2.3 步进控制效果测试指标
对步进控制效果和控制装置应用性能2 个方面进行分析，设置步进控制效果的测试指标为步进脉冲频率的控制误差，其数值结果如下：
式中：fm和fm，target分别表示飞行器的实际步进脉冲作用频率和步进脉冲频率的控制目标，其中变量fm可通过式（7）计算得出，fm，target的具体取值由生成的控制任务决定。
另外步进控制装置的应用性能量化测试指标为飞行器旋翼的转角控制误差与飞行速度控制误差，其测试结果可以表示为
式中：θcorner，θcorner，set，ν 和νexpect分别表示旋翼转角的实际值和目标值、飞行速度的实际值和目标值。
最终计算得出εf的值越小，说明对应装置的控制效果越优，εθcorner和εν的值越小，证明对应步进控制装置在无人驾驶跨介质飞行器中的应用性能越优。
2.4 飞行实验过程与结果分析
采用空中飞行后入水的方式，规划无人驾驶跨介质飞行器的飞行路线，并根据飞行器的实际飞行姿态，将其分为水平飞行和垂直飞行2 种状态。设计的步进控制装置安装并调试完成后，对其运行参数进行初始化，其中驱动电机的初始化内容包括控制模式、步距、续流模式、速度源等，设置驱动电动机的电流控制方式采用闭环方式，初始化续流方式采用半步步距，初始化步长采用可调节的电阻器。由此完成步进控制装置中所有元件的初始化，将飞行器旋翼控制任务输入到步进控制装置中，利用控制平台实时监测步进脉冲信号以及飞行器旋翼运行状态，实现控制效果的可视化。跨介质飞行器旋翼的高精度步进控制结果，如图5所示。
图5 跨介质飞行器旋翼的高精度步进控制结果Fig.5 High precision stepping control results of the rotor of the transmedia vehicle
按照实时飞行速度和转角参数得到步进控制装置应用性能的测试结果，如图6所示。从图6可知，与对比步进控制装置相比，本文设计控制装置下跨介质飞行器的飞行速度和转角更接近设置的控制目标，即应用性能更高。
图6 跨介质飞行器旋翼步进控制性能测试结果Fig.6 Test results of step control performance of transmedium aircraft rotor
跨介质飞行器兼具了飞机的速度和隐身性能，同时具备了高效率的突防和多任务，在军事上有着广泛的应用前景。近几年，由于技术的不断发展，对跨介质飞行器的开发也越来越重视。本文针对无人驾驶跨介质飞行器的结构与工作特征，以旋翼为控制目标，优化设计步进控制装置。从实验结果中可以看出，优化设计装置具有良好的控制效果和应用性能，然而优化设计的装置未必适配于所有型号的飞行器旋翼，因此在控制装置投入使用前，还需要补充大量的测试数据。
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