無人機在民用和軍用領域都有越來越廣泛的套用，無人機的發展也引起了各國的重視，而航跡跟蹤控制在無人機飛行過程中的作用尤為重要，能夠進一步改善無人機的動念性能，為無人機能夠安全地、高效地完成各項任務提供了有力保障。
基本介紹
- 中文名：無人機跟蹤與控制系統
- 外文名：Unmanned air vehicle tracking and control system
- 出現時間：20世紀20年代
- 優點：套用方便、時效性強
- 套用領域：套用領域
- 領域：計算機
無人機發展,無人機的特點,航跡跟蹤控制系統發展,發展歷史及國內外現狀,控制器總體結構,
無人機發展
無人機(UAV，Unmanned Aircral Vehicle)也稱無人航空器或遙控駕駛航空器，是一種由無線電遙控設備控制，或由預編程式操縱的非載人飛行器，擁有眾多有人駕駛飛機所不具有的優點，可執行各種作戰和訓練保障等任務，具有廣闊的軍事套用前景。
海灣戰爭中美國開始大量使用無人機，主要用作偵察機、電子干擾機、炮兵目標引導機和靶機等角色。近年來，美軍在阿富汗開始使用無人機，攻擊“恐怖分子’’車隊，並獲得很大的戰果，多名塔利班的高級軍官在攻擊中死亡。
世界上已經有32個國家研製出了50多種無人機，有55個國家裝備了無人機。在無人戰鬥機的研製上，美國走在最前面，已經開發出空軍與海軍的驗證機。波音公司是美國的主要無人機製造商之一。進入21世紀以來，隨著新型無人機種——無人作戰飛機的發展，無人機將不再是過去在戰場上主要充當輔助角色的情況，在過去，無人機主要是執行空中偵察、戰場監視和戰鬥毀傷評估等任務，升級成為能執行防空系統、對地攻擊，甚至可以執行對空作戰的任務。無人機不僅會在未來的戰場上與有人戰鬥機協同並肩作戰，而且會在某些條件下可能代替有人戰鬥機執行危險的作戰任務，從而可能會成為未來空中作戰的主力航空武器裝備。無人作戰飛機的出現具有非常重要的戰略意義，可能會導致未來空中作戰的組織編制、作戰原則、條例條令、戰術思想乃至裝備採購策略等方面的一些重大變革。
無人機的特點
有人駕駛的戰鬥機、攻擊機等是空中作戰與對敵攻擊的主要力量。隨著空戰武器以及一體化防空系統的迅速發展，光靠有人駕駛飛機在未來的戰場中執行空中格鬥、對地攻擊的任務，所要冒的風險更大，付出的代價更高，戰爭損耗與政治風險將越來越難以承受。為此，世界各國已經著手研究和評估無人機的軍事效用和在戰場中的實戰價值，並投巨資探索各種方案，發展各類無人作戰飛機。無人作戰飛機具有以下特點：
1.以任務為中心設計，不必考慮人的因素。
2.無人機本身結構簡單，但系統複雜。
3.無人機可在危險環境中作戰。
4.無人機的使用費用相對較低。
5.無人機的續航能力強。
6.人員零傷亡。
航跡跟蹤控制系統發展
無人機的航跡跟蹤控制，主要通過無人機的飛行控制系統來實現。無人機之所以能發揮如此巨大的作用，除了在氣動力、結構以及發動機方面取得了重大突破外，在無人機上安裝有各種不同功能的飛行控制系統也是至關重要的。飛行控制系統一般由不同功能的分系統或部件組成，能夠控制無人機重心運動(航跡運動)、角運動和飛行速度等，並能改善無人機飛行品質與保障無人機的飛行安全。其基本功能是實現無人機的自動飛行，改善無人機的動態性能。
一般來說，無人機的性能和飛行品質是由無人機的本身氣動特性和發動機特性決定的。但隨著無人機飛行高度以及速度的增加，無人機的自身特性會變壞。如無人機在高空飛行時，由於空氣稀薄，阻尼特性變壞，致使無人機角運動產生嚴重的擺動，此外，設計無人機時，為了減少質量和阻力，提高升力，常將其設計成靜不穩定的，所以，對於這種靜不穩定的無人機，要安裝不同類型的控制系統以改變無人機的性能。
這樣，如何通過調節無人機的飛行控制系統來使無人機能夠更好更快的跟蹤預定航跡，即通過無人機模型的建立來設計飛行控制系統，進而研究無人機的航跡跟蹤控制，對無人機整體性能的提高以及航空事業的發展都有很重要的意義。
發展歷史及國內外現狀
1903年12月以來，美國萊特兄弟成功實現了人類首次有人駕駛飛機飛行，飛行控制系統與飛行控制技術經歷了百餘年的飛速發展歷程。從早期的由拉桿、搖臂或鋼索、滑輪等組成的簡單機械式飛行控制系統，到現代飛機的數字式光/電傳飛行控制系統。
1912年，美國的斯派雷公司研製了第一台駕駛儀——電動陀螺穩定裝置，開創了自動飛行控制的先河。該裝置由兩個雙自由度陀螺，磁離合器以及用空氣渦輪驅動的執行機構組成，用以保持飛機穩定平飛。但那時候僅僅是保持飛機穩定的飛行，而對於機動性能的要求還不是很高。
20世紀50年代前，駕駛儀主要用於運輸機的簡單飛行控制。20世紀60年代，駕駛儀功能得以擴展，發展成自動控制系統。
之後，數字計算機和仿真技術的迅速發展，促進了控制理論與制導技術在機載數字計算機的運用，進而使飛行控制技術得到了迅速發展，產生了隨控布局飛行器設計的思想，在設計飛機之初就考慮自動控制，達到氣動布局、飛機結構設計、發動機設計以及自動控制四個方面的協調配合，設計出性能更好的飛機。
20世紀80年代後，飛行控制系統經歷了由模擬式系統向數字式系統的過渡，採用主動控制技術的電傳飛行控制系統也進入了實驗階段。完成了“四軸側桿控制"、“綜合飛行/推進控制一、“光傳操縱系統在飛機上的驗證”等工
作。20世紀90年代又驗證了“先進數字/光學控制系統”、“飛行/推進/火力綜合控制系統"等多項主動控制技術。
含有主動控制功能的電傳飛行控制技術的套用，使飛行控制系統成為保證飛機性能、任務能力和飛行安全的關鍵系統。飛機飛行控制系統功能的不斷增強，交聯關係更加複雜，與推進系統、導航系統等的不斷集成與綜合，並且隨著機載電子技術、控制技術等的提高，這樣的綜合還將不斷發展與提高。今後的飛機飛控系統必將向著數位化、綜合化的方向不斷的發展。
我國飛行控制系統的發展也是經歷了從常規機械操縱，到駕駛儀、增穩與控制增穩、自動著陸、帶機械備份的電傳控制與不帶機械備份的全時全許可權數字電傳系統的研發過程。經過我國航空事業的發展，我們已經取得了很大的成績，各種新型的飛行控制系統已經在新型飛機上陸續投入使用，但是我國飛機的飛行控制系統以及飛機的機動性能上與美國、俄羅斯等已開發國家的差距還是有的，還需要進一步提升我國的航空技術水平，推動我國航空事業的進一步發展。
控制器總體結構
在對現有先進飛控技術進行深入了解和研究的基礎上，同時考慮到無人機的特點和功能需求，提出如圖1所示制導和姿態控制分別進行設計的機動航跡跟蹤控制方案。
採用六自由度非線性飛機方程為模型，將指令航跡信號（包括三個位置信號（
）與三個速度信號 （
））與及指令信號和實際狀態之間的誤差通過求解制導力
，再轉換成攻角α，側滑角β，航跡滾轉角μ以及推力T等指令信號作為姿態迴路的輸入指令。而姿態控制系統採用較為成熟的動態逆方法設計快逆和慢逆迴路，能滿足機動飛行的要求。
飛行航跡跟蹤控制的最終目的是使飛機以足夠的準確度保持或跟蹤預定的飛行航跡 。控制飛行器運動航跡的系統稱為制導系統 。若飛行器偏離給定航跡，制導裝置將測出其偏差，並以一定的控制規律控制角運動，使飛機以要求的準確度回到給定的航跡 。飛機重心運動可分為沿垂直方向 、切線方向和側向偏離 3 種 。側向的偏離一般通過飛機傾斜轉彎的方式來修正，一般不希望產生側滑，側向偏離控制以滾轉角的控制作為基礎 。垂直方向的偏離通過控制攻角來修正 。而航跡切線方向的偏離則通過控制發動機改變推力從而改變速度來修正 。制導力由兩部分組成，一部分是飛機作期望機動動作所需要的力 。另一部分就是消除制導誤差所需要的力，包括位置誤差，速度誤差和水平航跡角和垂直航跡角誤差。
控制器也可以採用PID控制，包括經典的PID控制以及近些年發展起來的智慧型控制。經典的PID控制主要以其算法比較簡單、容易實現、具有很高的可靠性等特點而在無人機控制系統中得到廣泛套用。但隨著人工智慧學科
的發展，智慧型控制也越來越受實際控制系統的歡迎，成為控制發展的新的方向。並且將人工智慧的方法與傳統PID相結合，取其各自優點，而形成的新的PID控制器，大大改善了傳統PID控制的性能。
