雷鋒網(wǎng)按：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(lǐng)域老司機【資深專家】，改機無數(shù)，現(xiàn)任一飛智控（天津）科技有限公司研發(fā)中心總監(jiān)。

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(lǐng)域里相對小眾的無人機市場，堪稱“養(yǎng)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(shù)領(lǐng)域。原因在于1）特定的應(yīng)用范圍導(dǎo)致客戶群體并非大眾用戶 2）相關(guān)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(xù)旺盛的軍事應(yīng)用、不斷探索的大范圍勘測，還是到現(xiàn)在日益關(guān)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(fā)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(fā)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(fù)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(xiàn)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(xù)航在半個小時左右，大型無人直升機根據(jù)載荷和油料的配比，續(xù)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(jù)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(yīng)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(yīng)用早期主要由軍事應(yīng)用牽引，替代有人直升機執(zhí)行戰(zhàn)場任務(wù)，實現(xiàn)戰(zhàn)場零傷亡是其主要目標，同時智能化是主要出發(fā)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(yīng)用中許多的任務(wù)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(zhàn)場環(huán)境下的軍事應(yīng)用以戰(zhàn)術(shù)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(yīng)用中所需掛載的設(shè)備，如光電吊艙重量普通在40公斤以上，掛載的最輕型導(dǎo)彈單個也在20公斤以上，通常的作戰(zhàn)任務(wù)不可能只搭載單種任務(wù)載荷，大部分情況下是多種任務(wù)載荷的配合作戰(zhàn)，這對無人直升機的載重量要求隨任務(wù)的復(fù)雜度要求更高。除了軍事應(yīng)用外，針對長距離復(fù)雜環(huán)境下的物流運輸、大范圍的森林防火等應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域后，我們現(xiàn)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(shè)計進行大型無人直升機的研發(fā)，而必須通過有人直升機無人化改造來實現(xiàn)呢？簡單說起來就是受限于當前的技術(shù)水平瓶頸，直升機結(jié)構(gòu)設(shè)計太復(fù)雜了！

直升機的結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜度主要集中在發(fā)動機及傳動系統(tǒng)設(shè)計、機身氣動布局設(shè)計、旋翼頭傳動以及旋翼變距揮舞鉸的設(shè)計等多個方面，一個成熟直升機型號的設(shè)計所要經(jīng)歷的過程復(fù)雜程度遠非現(xiàn)在常見的多旋翼無人機所能比擬。

目前，通過正向結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)的最大載重?zé)o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(shè)計無人直升機的極限。

正面不行，那么另一個開發(fā)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(fā)動機、旋翼、傳動等主體結(jié)構(gòu)，通過對其進行結(jié)構(gòu)改造和電氣改造，加裝飛行控制系統(tǒng)，即可實現(xiàn)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(fā)展成為一種多功能武器系統(tǒng)，承擔(dān)海上巡邏偵察任務(wù)，進行反潛、反艦和反水雷作戰(zhàn)，是海軍艦艇的有力支援。

火力偵察兵先后發(fā)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(jié)構(gòu)、發(fā)動機、旋翼和傳動系統(tǒng)等主體結(jié)構(gòu)，同時對外形進行重新設(shè)計以提高飛行速度，對油箱進行改進以增加續(xù)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(dǎo)70mm火箭彈，初步證明了其軍事價值。后續(xù)的MQ-8B和MQ-8C針對更大任務(wù)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(tǒng)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(fā)。火力偵察兵和無人小鳥的研發(fā)由海軍主導(dǎo)，主要面向艦載應(yīng)用，實現(xiàn)近距離反潛作業(yè)，主要的技術(shù)關(guān)注點也在于自動艦載起降方面，K-Max的研發(fā)由陸軍主導(dǎo)，主要考慮戰(zhàn)場物資運輸，著重考慮飛機在吊掛重載荷下的穩(wěn)定性。

一飛智控的MQ-300

火力偵察兵的技術(shù)成功，也推動了國內(nèi)相關(guān)單位有人直升機無人化改造的工作：濰坊天翔航空聯(lián)合相關(guān)單位實現(xiàn)了國內(nèi)首架有人直升機無人化改造V750，中航工業(yè)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(chǔ)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(yīng)用，逐步形成了體系化、成熟化的平臺。 

結(jié)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(shè)計會考慮一些額外的結(jié)構(gòu)設(shè)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(guān)鍵點是什么？

 

現(xiàn)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(fā)動機轟鳴的聲音，盡管經(jīng)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(xiàn)場感遠非不在現(xiàn)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(guān)鍵技術(shù)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。 

 a)飛機本體結(jié)構(gòu)改造 

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(fā)展歷史較長，飛機本體相對成熟，飛機本體的技術(shù)經(jīng)過了眾多的直升機駕駛員的驗證；2)機體操縱機構(gòu)以連桿傳動操縱為主，并不具備在中型、重型還有商務(wù)型載人直升機上普遍采用的電傳機構(gòu)（電傳操縱機構(gòu)是實現(xiàn)直升機輔助駕駛或者自動駕駛的基礎(chǔ)）。

飛機結(jié)構(gòu)改造的第一步即是進行傳動機構(gòu)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(gòu)進行分析，摸清楚傳動操縱的基本結(jié)構(gòu)布局 2）而后結(jié)合機體布局和具體的連桿機構(gòu)選擇合適的地方下手，確定操縱執(zhí)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(gòu)3）最后就是設(shè)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(gòu)改造中風(fēng)險最大的點即是舵機類型和舵機參數(shù)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(qū)動器，而是以電傳舵機。電傳舵機又分為旋轉(zhuǎn)舵機和直線舵機兩大類，這兩者并無優(yōu)劣之分，主要考慮到與原有連桿機構(gòu)的配合便利性，同時還需要考慮到操縱的線性度。此外根據(jù)的飛機和連桿結(jié)構(gòu)，對舵機的具體指標參數(shù)要求會有很大差異，通常來說根據(jù)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(shù)指標。

在MQ-300中我們采用了旋轉(zhuǎn)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(jiān)測，用于確認舵機的實際輸出力矩在舵機標稱范圍內(nèi)，保證飛行的安全。主旋翼采用三個舵機進行驅(qū)動，油門和尾旋翼采用單獨的舵機進行驅(qū)動，所有舵機采用485總線進行控制，可以實時監(jiān)測舵機的位置、電流、電壓等反饋信息。

MQ-300操縱舵機的傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計

在完成傳動機構(gòu)改造后，針對無人直升機任務(wù)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(diào)整，這些改造的過程會涉及到直升機氣動力學(xué)、振動力學(xué)等多種因素，通常都是結(jié)合仿真分析和實驗進行測試確認。

 b)飛行控制系統(tǒng)集成

傳動機構(gòu)和機身結(jié)構(gòu)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(xiàn)全自主飛行所缺的大腦就是飛行控制系統(tǒng)。對飛行控制系統(tǒng)的要求從任務(wù)層面上來劃分：最底層的發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制、飛機航向穩(wěn)定控制、機體狀態(tài)監(jiān)控是基礎(chǔ)，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(yōu)秀，更進一步的環(huán)境感知屬于加分項，技術(shù)發(fā)展的道路沒有盡頭。

從飛行控制系統(tǒng)涉及的技術(shù)點與普通無人機類似：1）傳感器是基礎(chǔ)，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(jiān)測飛機的機體狀態(tài)和飛行狀態(tài)，作為反饋提供給飛行控制系統(tǒng)；2）飛行控制律是核心，需要結(jié)合所有反饋的信息，按照設(shè)計的飛行任務(wù)，進行控制律的計算；執(zhí)行機構(gòu)即上述的舵機執(zhí)行控制律計算的結(jié)果操縱飛機按照設(shè)定任務(wù)進行飛行。 

當然，所不同的是對飛行控制系統(tǒng)穩(wěn)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(yīng)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(fēng)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(tǒng)的冗余設(shè)計，到控制器的冗余設(shè)計，甚至到執(zhí)行機構(gòu)的冗余設(shè)計都要綜合考慮。結(jié)合具體的飛機本體、應(yīng)用場合、系統(tǒng)成本，進行針對性的冗余設(shè)計是常用做法。 

一飛智控Finix3000直升機飛控

從具體的技術(shù)特點上來說，關(guān)鍵的技術(shù)是飛行控制律的設(shè)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(xué)模型和小型無人直升機差異巨大，操縱響應(yīng)延時、通道耦合等因素?zé)o疑都使得大型無人直升機的控制律設(shè)計更加復(fù)雜，外加上飛行試驗的高風(fēng)險性使得控制律的調(diào)整更加困難，通常來說需要有一定的系統(tǒng)辨識、控制理論、直升機動力學(xué)等相關(guān)的技術(shù)積累才能保障控制律設(shè)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(shù)據(jù)采集，根據(jù)飛行數(shù)據(jù)辨識建立初步的動力學(xué)模型以供飛行控制律設(shè)計參考。

c)指揮控制技術(shù)保障車設(shè)計

指揮控制技術(shù)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(wù)。保障車的主要原因是無人直升機體積過大，轉(zhuǎn)產(chǎn)運輸需要專門的車輛和結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過在車體上加裝方艙、液壓升降臺，可實現(xiàn)將無人直升機搬運至方艙內(nèi)部，將方艙內(nèi)部空間用于儲藏運輸無人直升機、載荷及其他設(shè)備。

 

在車中同時也集成了地面指揮控制系統(tǒng)，用于完成無人機飛行狀態(tài)的在線監(jiān)控、無人機任務(wù)指令的發(fā)送、無人機任務(wù)載荷的操控和圖像實時接收處理。1）地面控制系統(tǒng)可以完成無人機軌跡設(shè)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(tài)顯示、任務(wù)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(tǒng)通常由專業(yè)數(shù)據(jù)鏈路供應(yīng)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(tǒng)中，實現(xiàn)指揮車與無人機的實時通訊，支撐上述各項功能的具體執(zhí)行。

d)飛行測試流程方法

飛行測試是有人直升機無人化改造的最終環(huán)節(jié)，也是檢驗所有改造工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于大型無人直升機系統(tǒng)的復(fù)雜性，飛行測試必須遵循一定的流程規(guī)范，將各個環(huán)節(jié)的風(fēng)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(fēng)險。具體的飛行試驗階段包括航電安裝集成靜態(tài)聯(lián)試、地面固定系留飛行測試、首飛測試、調(diào)整測試、驗收測試等多個環(huán)節(jié)。

將所有相關(guān)設(shè)備進行集成，確保系統(tǒng)的功能正常穩(wěn)定。集成的內(nèi)容包括飛行控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、電源管理系統(tǒng)、舵機控制器、飛機改造結(jié)構(gòu)、飛機本體等多個環(huán)節(jié)。1）首先是要確保按照系統(tǒng)設(shè)計要求，各個模塊能夠正常工作，達到全系統(tǒng)聯(lián)通狀態(tài)；2）其次是調(diào)整輸出舵機行程范圍、標定傳感器范圍、測試系統(tǒng)功耗、長時間拷機評估系統(tǒng)穩(wěn)定性，這其中的每一項工作都需要電氣工程師、結(jié)構(gòu)工程師等的協(xié)調(diào)配合，針對在設(shè)計初期沒有考慮到的集成問題進行現(xiàn)場處理。

無人直升機不同于其他裝備的區(qū)別就在于飛機啟動后，發(fā)動機和旋翼均處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，會產(chǎn)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(gòu)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(fā)動機控制的穩(wěn)定性、機載航電設(shè)備的穩(wěn)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(nèi)。

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(fā)動機，低速旋轉(zhuǎn)確認所有傳動系統(tǒng)和航電系統(tǒng)正常工作，而后發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制介入工作驗證發(fā)動機轉(zhuǎn)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(diào)整輔助飛行控制律。經(jīng)過這兩個階段的長時間驗證，表明飛機已經(jīng)具備了放飛的能力，可以轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向等基本的飛行動作是否可控。 

同時結(jié)合事先設(shè)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(xiàn)異常需要調(diào)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(wěn)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(xiàn)了從有人直升機向無人直升機的轉(zhuǎn)變。

調(diào)整測試則是針對首飛測試的問題進行調(diào)整，逐步驗證飛機的所有指標，同時針對一些特定任務(wù)需求還需要與載荷系統(tǒng)聯(lián)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(qū)、不同海拔、不同環(huán)境下的性能指標，針對測試過程中發(fā)現(xiàn)的各種問題進行調(diào)整改進，直至滿足要求。最后能夠根據(jù)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(jié)點，標志著飛機改造成功。

未來無人直升機的發(fā)展將超乎想象

結(jié)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(huán)節(jié)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(fā)現(xiàn)問題解決問題，有人直升機的無人化改造并非不可能。

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