谁来担当无人机的“领航员”？

最佳答案 - 由提问者2006-10-02 08:05:18选出

谁来担当无人机的“领航员”？
2006-09-22 12:38:55 曹福成

　　无人机上既无驾驶员，也无领航员。若不依靠地面指挥站的帮助，而靠自身控制航向确实不是件容易办到的事。后面将要谈到，机上自动驾驶仪可以代替驾驶员，操纵舵面，控制飞行。而领航的任务只能由机上的“自主式”导航系统来承担了。可是指挥飞行的信息从何而来呢？所以，还需要一种能自动发出控制信号的特殊装置——程序装置。

　　1.机上“领航员”。自主式导航系统指可以不依靠地面引导台站或天体的帮助，也不受天气变化和地形条件的影响，自己就能引导飞机、舰船等运动体抵达目的地的系统。无人机可以彩霞的自主式导航系统有，多普勒导航系统、惯性导航系统或捷联式惯性导航系统等。

　　多普勒导航系统是无人机最常用的一种自主式导航系统，它充当了机上的“领航员”在介绍这种系统之前，应先了解什么是多普勒效应。多普勒效应是这样一种现象：当振动源(声音、光、无线电波都是振动的一种)与观察者以速度相对运动的话，观察者所收到的振动频率就会不同于振动源所发出的振动频率。频率的变化量与相对速度和波长有关，即频率的变化量与相对速度成正比，而与振动的波长成反比。这种现象是在1842年由奥地利科学家多普勒发现的，所以通常称为多普勒效应，而把频率的变化量叫做多普勒频移。多普勒导航就是利用多普勒效应来进行导航的。

　　多普勒导航系统由磁罗盘或陀螺仪表、多普勒雷达和导航计算机组成。磁罗盘或陀螺仪的作用类似于指北针，可以测出无人机的航天向角，即无人机纵轴方向与正北方向之间的夹角。多普勒雷达不断地沿着某方向向地面发出无线电波，利用无人机和地面有相对运动产生的多普勒效应，测出雷达发射的电磁波和接收到的回波的频率变化，从而计算出无人机相对于地面的飞行速度(称为地速，其方向就是该点航线的方向)，以及偏流角(即地速与无人机纵轴之间的夹角)。由于气流的作用，偏流角的大小反映了地速、风速和空速之间的关系，空速指无人机相对于空气的速度，其方向为无人机机身的纵轴方向。根据多普勒雷达提供的地速和偏流角数据，以及磁罗盘或陀螺仪表提供的航向数据，导航计算机就可以不断地计算出无人机飞过的路线。

　　惯性导航系统依靠感测到的飞机的运动加速度获得其速度和位置。加速度是由加速度表利用物体的惯性测得的。将加速度积分一次不得到速度，积分两次就得到所经过的距离。加速度表一般装在由陀螺稳定的稳定平台上，以建立参考座标系，积分则由计算机完成。所以，惯性导航系统由稳定平台、计算机、控制(显示)部件组成。它的突出优点是能给出精确的速度、姿态和方位数据，工作不受环境条件和飞机机动飞行的影响。缺点是部件加工精度高，因而成本高，使用复杂，飞行前需较长的校准和加温时间，维护较困难，导航精度随工作时间的增加而降低。这种系统目前在无人机上用得还不多。

　　捷联式惯性导航系统是一种没有陀螺平台的惯性导航系统，要求有高速计算机，其成本更高，目前尚未在无人机上使用。

　　2.机上“指挥员”。指挥无人机沿预定路线飞行并执行任务装置是“程序装置”。形象而简单地说，程序装置就像一架闹钟，上好弦，拨正点，到时闹钟自动响铃。不过，无人机的这架“闹钟”要复杂得多。它按时间顺序预先定好各个时刻无人机要完成的飞行动作，届时发出预定信号。它负责比较由多普勒导航系统计算机输出的信号与预定信号之间有无差别，若有差别，则给自动驾驶仪一个信号，命令它操纵舵面偏转，以纠正航迹偏差。它还能给出命令，控制机上其他设备动作，如启闭电视摄像机等。所以说，程序装置是无人机上的“指挥员”。

　　目前无人机使用的程序装备还是一种电模拟式装置，由定时马达、步进器、航线角和偏航角预选器及程序选择板组成。虽然这种装置的结构复杂，易出故障，但它的最大优点是：一旦多普勒导航系统出了故障，程序装置还能控制无人机安全返航。随着电子技术的发展，数字式程序装置有可能代替模拟式装置，甚至用微型电子计算机来执行程序装置的功能。

　　3.机上“驾驶员”。无论采用何种控制方式，无论采用何种控制方式，无人机上都需要有一个装置来操纵飞机执行控制指令。这个装置就是自动驾驶仪，它充当了驾驶员的角色。

　　在有人驾驶飞机上，驾驶员需要高度集中精力，眼观六路，耳听八方，手握驾驶杆(或驾驶盘),保持飞机安全正确航行。为了减轻驾驶员的工作负担，一般飞机上也都装有一种能按需要自动操纵飞机飞行的设备，即自动驾驶仪。自动驾驶仪可使飞机保持稳定，精确地按一定的姿态、航向、高度或速度飞行。它还可与导航设备交联进行自动导航，与地形跟踪雷达交联进行自动地形跟随或与仪表着陆系统交联进行自动着陆。在无人机上，自动驾驶仪可以保持无人机的姿态、高度和速度的稳定，与地面指挥引导系统交联或与机上指挥引导设备交联，实现无人机的自动起飞、机动飞行、返航、着陆等动作。

　　自动驾驶仪通常由三个基本部分组成：敏感元件(如陀螺、大气数据传感器等)、计算和放大元件、执行元件。

　　敏感元件是自动驾驶仪的心脏，用来感测无人机姿态的变化。最常用的敏感元件是陀螺。儿童玩的“地转子”就是最简单的陀螺，它转起来不倒，一旦停止转动就倒。如果让“地转子”在一块木板上旋转，倾斜木板，转子轴在空间的位置保持不变。自动驾驶仪就是利用陀螺绕自身对称轴高速旋转具有的“定轴性”，来感测无人机飞行姿态的变化，包括俯仰角、偏航角和滚转角(又称倾侧角)的变化。

　　计算和放大元件用来放大、变换和综合陀螺测得的姿态稳定信号，遥控站发来的指令信号，或者机上导航设备测得的航线偏差信号，最后形成控制命令。

　　执行元件(又称舵机)执行控制命令，操纵飞机机翼上的舵面(如升降舵、方向舵、副翼或其他部位的辅助操纵面)，达到控制无人机的飞行高度、速度、姿态和航向的目的。

　　在整个控制过程中，当舵面受控动作后，一定还要向计算和放大元件送回一个信号，告诉它已经按命令动作了。这时无人机就在新状态下继续飞行。