飞控系统承担航迹规划、姿态控制和飞行增稳等核心功能。飞行控制系统（Flight Control System）简称飞控系统，是用以全部或部分地代替飞行员控制和稳定飞机的运动，并能改善飞行品质的反馈控制系统。除具有自动驾驶仪的功能外，飞控系统还可改善飞机的操纵性和安定性，实现航迹控制、自动领航、自动着陆、地形跟随、自动控制机动飞行中机翼载荷分布、自动瞄准和编队飞行等功能。飞控系统几乎与所有机载系统都存在数据交联，同时运行安全关键的复杂控制算法，因此是 eVTOL 中最为关键的系统之一。
传统民航客机的飞控系统由飞行增稳控制的内回路和控制航迹、姿态的外回路组成。前者为主飞行控制系统(PFCS)，后者为自动飞行控制系统(AFCS)，分工上：主飞行控制系统中，飞行增稳控制是最重要的功能，其主要目的是通过增稳或控制增稳控制律，调节飞机纵向短周期模态、横航向滚转和荷兰滚模态特性。此外，主飞行控制系统还具备飞行包线保护功能，可以对速度、过载、姿态和角速率等控制指令进行限幅，实现边界限制来提高飞行安全性和可靠性。
自动飞行控制系统一般包括自动驾驶仪（AP）、飞行指引（FD）和自动油门（A/THR），在三者的联合工作下可实现对飞机的速度、高度、姿态和航向、航迹的控制。
图1 飞控系统承担航迹、姿态控制和飞行增稳等核心功能
电传操纵技术成熟推动 eVTOL 出现。飞行控制早期采用机械式传动系统，通过机械结构实现操纵指令的传输和反馈。但随着飞机尺寸、飞行速度等性能表现提升，机械式操纵的难度愈发显著。电传操纵（Fly-by-wire，FBW）系统使用电子信号代替机械传动，通过飞控计算机对各个舵面发出控制指令，FBW 的出现彻底解决了操作指令传输距离和失真的问题，并且极大节省了空间和重量，成为当前的主流飞控系统。面对 eVTOL 数量庞大且复杂的作动机构，FBW 技术也可实现精准的操纵控制，是 eVTOL 出现的重要技术推动力。
图2 机械式操纵系统架构，操纵杆与舵机通过机械连杆连接
图3 电传操纵系统架构，操纵指令通过电信号传输到舵机
飞控计算机是核心部件，多余度技术提升系统可靠性和安全性
飞控系统包括传感器、飞控计算机、作动器和控制显示四大子系统。电传飞控系统经过了多代的迭代发展，其组成一般可以分为四个子系统，包括计算机子系统、作动子系统、传感器子系统和控制显示子系统（无人机该功能由地面站完成）。
电传飞控系统工作时：
1）驾驶员的操纵指令通过数据总线发送到飞控计算机，同时飞控计算机也接收来自惯导和大气数据传感器等传感器的姿态、角速度、加速度和大气数据等信号（图中黄色部分）；
2）飞控计算机对接收的信号进行循环冗余校验、完整性校验和信号表决后，用于控制律的计算，并将作动指令发送到航机控制电子器件（图中橙色部分）；
3）航机控制电子器件控制对应的舵机/舵面运动，实现飞行控制（图中蓝色部分）。
图4 基于电传操控飞控系统的电信号流动方向
余度技术提高飞控系统可靠性和安全性。运输类飞机上的设备、系统及安装（包括飞控系统），其灾难性事故概率需低于 10-9/飞行小时。而单系统的飞控可靠性有限，最多可以做到灾难性事故率小于 10-5/飞行小时，为了进一步提高系统的可靠性，就需要通过增加冗余，即构建多余度的飞控系统，并在不同飞控计算机之间建立内部数据交互和投票机制。此外，建立异构的多余度飞控计算机可以进一步降低整套系统的故障率。
图5 多余度飞控系统提高飞行可靠性
计算机子系统是飞控系统的控制计算核心，内部采用模块化设计。飞控系统的计算机子系统主要完成如下四项功能：
1）多余度供电的二次处理和转换；
2）系统控制、调度、容错及控制律计算；
3）外部接口信号的调制解调处理；
4）伺服控制、伺服控制律计算及伺服驱动。当飞控系统采用多余度同步实时工作设计时，计算机子系统被赋予的功能将更多。考虑到计算机机箱及板卡板载面积限制，计算机子系统在硬件实现上通常采用功能模块的形式存在，包括：电源处理模块（PS 模块）、CPU 模块、I/O 模块和伺服控制模块。
全部功能模块集中于机箱内，通过总线通信形成电传飞控系统。功能模块是计算机子系统的核心，不同功能模块可通过机箱内的高速总线通信，或可通过机箱外的低速总线通信，将集成了功能模块的机箱之间进行多余度配置，便可形成集中式的电传飞控系统。
图6 飞控计算机子系统内含四大功能模块
传感器子系统需通过信号表决提高信号的可用性和完整性。硬件层面，传感器子系统中通常包括杆/脚蹬指令、加速度计、三轴角速率计、迎角/侧滑角、动压/静压/总温计及组合惯导等装置。架构层面，虽然目前很多传感器通过内部监控方法（电压/电流监控、频率监控等）识别“无效”数据，但仍有 5%-10%的漏检率，因此电传飞控系统通常通过传感器余度配置，提高信号可用性和完整性，即通过设计外部监控器对多余度传感器进行表决（传感器余度管理），以进一步隔离错误传感器信号，避免对飞机产生不良影响。
图7 传感器子系统中重要的传感器件
图8 传感器余度管理增强信号可用性和完整性
作动器子系统采用分布式布局保证系统可靠性。作动器子系统包括舵机和电机，分别操纵副翼、升降舵、方向舵等舵面，和螺旋桨等旋翼。为保证作动器的可用性和完整性，通常采用分布式布局。对于舵机，从失效概概率推算，单侧舵面应具备 2 个舵机，可采用主-主或主-备的设计方式；对于电机，为保证单个或多个电机故障后仍然具备起降或悬停的能力，通常采用 6、8、12、16 个旋翼电机，并提供 1.5-2.0 倍的拉力冗余。对于电机和舵机，均需设计监控器对工作状态进行监测，核心都是保证飞控系统的安全性和可靠性。
图9 作动器子系统中电机控制螺旋桨等旋翼，舵机控制副翼等舵面
SVO是有人驾驶 eVTOL 重要方向，自主飞行通往 UAM 终极形态
简化飞行操纵（SVO）是有人驾驶 eVTOL 的重要发展方向，飞控系统价值量有望提升。SVO 是指能为飞行员或操纵员降低执行飞行相关任务复杂度并且同时能提升安全性的飞行系统、界面、操作和训练方式。目前许多主机厂在第一代 eVTOL 的飞机设计上采用了有驾驶员的方案，但面对气动效应复杂的旋翼与固定翼状态之间的过渡阶段，飞行员很难像自动控制系统一样做到每秒数百次以上精密调整各个动力单元与气动舵面来保证飞机的稳定可控，因此使用飞控软件在部分操作上代替飞行员对实现 SVO 至关重要。
但相应地SVO对于eVTOL飞行包线等运行要求更为严格，因此对于飞控系统功能、架构、安全性等方面也提出更高要求，我们认为 SVO 趋势下飞控价值量有望提升。
表1 不同等级 SVO 的设计理念
UAM 下半场关键推动力在于自主化和智能化，自主飞行飞控系统是通往 UAM 最终形态的钥匙。飞机自主化的飞行实现路径是“电传系统-自动飞行-自主飞行”，首先通过电传系统实现所有操纵信号数字化，随后建立自动飞行的能力（即飞行操纵程序化），最后再通过建立视觉感知和决策能力实现自主飞行。SVO 的本质是在某些复杂操作上，用软件替代飞行员手动操纵，相当于“半自动”，目前许多主机厂在第一代 eVTOL 的飞机设计上采用了有驾驶员的方案，因此 SVO 变成了至关重要的要求。但是业界一致认为未来的 eVTOL应该是“无人”的，即自主的。因此，为降低 eVTOL 运营成本（主要是驾驶员的成本），满足更大规模的低空出行市场，能够实现飞行自主化的飞控系统是远期的终极发展目标。
图10 飞行自主化的实现路径
自动飞行实现有赖于飞行控制系统和飞行管理系统相配合。自动飞行目前已是传统民航飞机的必备功能，为降低驾驶门槛、减少运营成本、提高飞行安全性，未来 3-5 年内首批完成适航取证并投入运营的 eVTOL 也都应具备该功能。自动飞行功能的实现，需要通过飞行管理系统（FMS）和飞行控制系统（FCS）共同完成——FMS 发挥飞行计划管理、综合导航、性能计算、航迹预测和飞行引导等功能，与自动飞行控制和自动油门系统交联，提供自动飞行能力，并有效提高飞行安全性和经济性。
图11 传统民航客机自动飞行系统功能原理图
自动飞行趋势推动 FCS 和 FMS 设计向综合化发展。传统民航客机的硬件分布上，飞行管理系统一般驻留在综合模块化航电平台（IMA）中，而飞行控制系统一般集成在独立的多冗余飞行控制模块（FCM）中。而在 eVTOL 上，出于简化操作、轻量化、集成化和经济性的考虑，可参考民机综合化航电和汽车域控制器的发展趋势，将飞管系统从 IMA 中剥离出来，与飞控系统共同集成在飞行控制模块，对 eVTOL 自动飞行功能进行综合化设计。此外，综合化趋势也将更好地适应未来 eVTOL 从自动飞行升级到完全自主飞行。
表2 eVTOL 飞控-飞管系统综合化设计的必要性分析
汽车巨头入局有望以汽车电子先进技术赋能飞控行业发展。汽车电子领域控制器将原本需要多个 ECU 实现的核心功能集成，再加上数据交互的标准化接口，极大降低车载电子系统的开发和制造成本。当前航空电子和汽车电子均正从分布式联合架构向综合集成式架构转变，随着众多汽车厂商布局 eVTOL，他们在带动汽车、航空上下游供应链发展的同时，也会积极尝试成熟的汽车电子先进技术如智能座舱、自动驾驶等在 eVTOL 上的应用和优化，推动飞控行业发展。
无人机飞控安全性要求和技术难度较低，主机厂多进行飞控自研
微、小、轻型无人机飞控系统无需适航认证。与 eVTOL 飞控系统功能类似，无人机（特指微、小、轻型无人机）的飞控系统是无人机完成起飞、空中飞行、执行任务、返场回收等整个飞行过程的核心系统。与 eVTOL 飞控系统差别在于，从事微型、轻型、小型民用无人驾驶航空器系统的设计、生产、进口、飞行、维修以及组装、拼装活动，无需取得适航许可。因此，无人机飞控系统在安全性要求和技术复杂性上相较 eVTOL 飞控均大幅放松无人机飞控系统硬件部分由机载和地面站两部分组成。以多旋翼无人机的飞控硬件为例，机载部分主要由主控制器、从控制器、各传感器和无线数传（Air 端）组成。传感器获取的信息分别通过不同的通信接口发送给控制器，控制器通过串口连接无线数传模块，实现与地面的信息交互。地面站部分主要由地面站、无线数传（地面端）和遥控器组成。
图12 飞控硬件架构框图
表3 飞控硬件各部分作用
来源：浙商证券分析报告
原文始发于微信公众号（我想我思）：低空经济中的飞控系统
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