下载文档原格式
技术与检测Һ㊀双余度飞控系统软件设计技术在无人直升机中的应用孙京宁摘㊀要:近年来ꎬ无人机相关技术得到了大力发展ꎬ小型无人机技术也变得越来越成熟ꎮ飞控系统是小型无人机系统当中不可或缺的组成部分ꎬ双余度飞控系统软件主要是采用了模块化和层次化的双余度飞控软件架构ꎮ文章主要对双余度飞控技术进行简单介绍ꎬ然后分析了双余度飞控系统软件设计技术在无人直升机中的应用ꎮ关键词:双余度ꎻ飞控系统ꎻ无人直升机ꎻ应用㊀㊀近年来ꎬ小型无人飞机在测绘㊁巡线㊁勘探以及跟踪等方面都得到了广泛应用ꎬ这对小型无人飞机的飞行安全提出了更高的要求ꎬ而传统的单余度飞控系统已经不适用于如今小型无人机的任务需求ꎬ因此在其基础上发展处了多余度飞行控制系统ꎮ余度系统的数量越多不代表其所具有的功能性更加强ꎬ余度数量与系统可靠性之间并不存在明显的线性关系ꎮ双余度飞控系统更加适合如今的轻型无人机ꎬ因为这一飞控系统体积较小㊁质量较强㊁结构较简单并且成本也比较低ꎮ一㊁双余度飞控技术简单介绍双余度飞控技术是从单余度飞控技术发展而来的ꎬ但与单余度系统相比ꎬ其可靠性得到了明显的提升ꎬ因此适用的系统架构以及实现形式的选择性都得到明显增加ꎮ现阶段ꎬ应用频率较高的双余度系统架构主要有３种:通道化自检架构ＣＳＣ㊁全交叉总线式自检架构ＦＣＳＢＳＣ以及全交叉自检架构ＦＣＳＳＣꎮ将这三种系统架构进行对比可以发现ꎬ可靠性最高的系统架构为全交叉自检架构ＦＣＳＳＣꎬ其次为全交叉总线式自检架构ＦＣＳＢＳＣꎬ通道化自检架构ＣＳＣ的可靠性远远低于前两种架构ꎮ余度系统的可靠性与系统的自检覆盖率具有明显的关系ꎬ双余度系统无法实现信号表决监控ꎬ需要采用具有自监测功能的双余度系统ꎬ小型无人机飞控自检覆盖率对于双余度系统可靠性的提高造成了明显的限制作用ꎬ在今后的研究工作中应当针对双余度飞控技术在无人机中的应用进行深入研究ꎮ二㊁双余度飞控系统软件设计技术在无人直升机中的应用(一)双余度飞控系统软件执行方案设计在选择双余度飞控系统软件时采用具有多任务实时操作功能的Ｖｘｗｏｒｋｓ系统ꎬ以这一操作系统为飞控系统软件搭建应用平台ꎬ以此来实现任务调度㊁设备驱动以及中断管理等功能ꎮ飞控系统软件的模块化主要是指根据分解需求中的功能ꎬ将其分为数据采集㊁状态控制以及系统输出等多种不同功能的任务模块ꎬ依靠不同任务模块的配合执行能够促进飞控系统所需功能的实现ꎮ飞控系统软件的层次化则是在任务模块中具有相同功能的任务组ꎬ在实时性需要以及任务执行速度的特点上将其进行不同执行速率组任务划分ꎮ除了模块化以及层次化外ꎬ还会在飞行控制系统任务执行特点的基础上ꎬ对任务执行的优先级进行设计ꎬ以此来调度不同等级的任务执行ꎮ(二)双余度飞控系统软件故障综合及余度管理设计双余度飞控系统软件故障综合设计主要是通过相关的设计工作实现实时判别㊁记录飞行过程的故障ꎬ并且在对故障类型进行划分后自动进行对应的飞行故障隔离以及处理ꎮ无人直升机的飞控系统会直接影响到飞行任务执行效果ꎬ在对其故障综合以及余度管理进行设计时ꎬ应当考虑到去不可切除性ꎬ然后充分利用已有资源实现故障资源的隔离ꎬ为飞控系统的稳定运行提供保障ꎮ监控面在飞控系统软件各个人物中的设置ꎬ能够确保软件的系统综合以及余度管理ꎬ因为监控面当中会设计有传感器㊁飞控计算机以及测控链路等十分关键的部件ꎮ在设计飞控软件监控面时主要包含:传感器输入信号㊁测控链路㊁供电信号以及飞控计算机ꎮ各个监控面中的各项监控点还设计了故障检测门限以及故障拍数ꎬ可以对飞行过程系统故障进行实时检测ꎬ并且还能够准确判别故障将其对应到具体的部件ꎬ在对故障信息进行综合分析后可以对相应资源进行余度管理ꎬ最后将故障信息及时传送给测控平台ꎮ另外ꎬ在保障飞行安全的基础上ꎬ为了对无人直升机资源进行充分利用ꎬ还设计了相应的故障恢复机制ꎮ(三)双余度飞控系统软件系统状态控制设计无人直升机的飞控系统控制主要由三个类别:四轴控制㊁导航控制以及发动机控制ꎮ无人直升机飞控系统软件中的控制模态主要包含６种:发动机模态控制㊁起降模态控制㊁悬停模态控制㊁纵向模态控制㊁横向模态控制以及导航模态控制ꎬ其控制率结算主要包括横向控制律结算㊁纵向控制律结算㊁航向控制律结算㊁高度通道控制律结算以及发动机控制律结算ꎮ不同的控制模态可以分解为一组执行序列ꎬ之后再分别对每一个执行序列提取执行步骤ꎬ将２０ｍｓ为时间片进行其子模态运行时间组ꎬ之后便能完成与之对应的控制律结算ꎮ三㊁结语综上所述ꎬ双余度飞控系统与其他飞控系统相比具有十分明显的优点ꎬ其十分适合小型无人机ꎬ但是现阶段双余度飞控计算机技术在无人机飞控系统当中还没有得到广泛应用ꎮ文章对双余度飞控系统软件设计技术在无人直升机中的应用进行简单介绍ꎬ对系统软件执行方案设计㊁故障综合及余度管理设计和系统状态控制设计分别进行了分析ꎬ期望可以为相关工作的开展提供参考ꎬ为无人直升机飞控系统的实时性以及可靠性的提高提供促进作用ꎮ参考文献:[１]孙刚ꎬ徐智.双余度飞控系统软件设计技术在无人直升机中的应用[Ｊ].电子测试ꎬ２０１９(１３):８５－８７.[２]王慧娟ꎬ王道波.一种无人机用小型双余度电动伺服舵机的设计[Ｊ].微电机ꎬ２０１０ꎬ４３(３):２４－２７.作者简介:孙京宁ꎬ南京模拟技术研究所ꎮ９５１。
无人直升机设计关键技术摘要：在信息技术的驱动下，无人机已经成为发展最快的飞机类型。
作为无人机体系中的重要分支——无人直升机，因其结构紧凑、灵活的转换,盘旋,垂直起飞和降落,在低速低性能,高机动性和安全性等,形成了覆盖目标、情报、监视、战场监视、通信中继、目标指示、指导和摧毁,电子干扰和对抗,灾难情况调查、气象观测、调查的土地和资源,测绘,地理信息动力巡逻和管道巡逻系统在军事、民用等领域的任务产品。
然而，由于一些独特的关键技术尚未完全突破，无人直升机的发展落后于无人机系统的另一个分支——固定翼无人机。
关键词：无人直升机；设计；关键技术；由于其结构紧凑、转场灵活、空中悬停、垂直起降、低空低速性能、机动性和安全性高等特点，已经形成了覆盖靶标、情报侦察、战场监视、通信中继、目标指示、引导与摧毁、电子干扰与对抗、灾害灾情调查、气象探测、国土资源调查、地理信息测绘、电力巡线和输油管线巡线等军、民用任务领域的产品体系。
一、飞行控制与导航技术1.从飞行控制和导航技术来看，由于无人直升机作为受控对象具有多变量、非线性、强耦合性、时变性等特性，是一种稳定性差、不易操纵和难以控制的飞行器。
所以目前飞行控制和导航技术是制约无人直升机投入实际应用中的瓶颈，也是一项决定无人直升机飞行品质的一项关键技术。
美军根据飞行控制与导航技术水平的高低，按照发展型谱把无人直升机的能力分类定义成十级，分别是：远程引导飞行控制能力、实时故障诊断与监控能力、飞行条件和故障的适应能力、机上航线再规划、集群配合、集群战术再规划、集群战术目标、分布式控制、集群战略目标和完全自主集群。
概括起来就是无人直升机的飞行控制与导航技术水平可分为四类：遥控飞行技术、自动飞行技术、自主飞行技术和智能飞行技术。
无人直升机遥控飞行需要地面人员操纵，按人工指令飞行，其中包括连续指令和离散指令控制飞行两种状态。
自动飞行需要预编程机载飞控系统，无人直升机按编定的程序指令飞行，具有自动导航功能，可按照程序设定实现自动起飞、航线飞行和着陆（舰）。
Electronic Technology •电子技术Electronic Technology & Software Engineering 电子技术与软件工程• 115小扰动线化 PID 控制由于无人直升机旋翼模型的复杂性，一般多采用专业化的直升机建模软件构建非线性模型。
而对无人直升机飞行动力学模型分析和控制律设计，一般基于线性模型进行。
由于无人直升机稳定性差，具有多变量、非线性特性，并且各操纵通道耦合严重，采用常规小扰动线化方法得到的模型简化过多，尤其是操稳特性要求的某些频段非线性特性往往被忽略掉。
因此，需要研究保留更多非线性模型特性的线化方法，而采用控制系统关注频段的信号作为扫频信号，对非线性模型进行扫频线性化，得到的线性模型能保留更多控制频段关注的非线性模型特性。
本文通过对某型无人直升机非线性模型进行扫频线性化，得到了反映非线性模型特性的俯仰角速度响应数据，再对扫频数据进行频域辨识得到俯仰角速度线化模型，为了验证本文方法的有效性采用常规小扰动线化模型与之对比，并分别以两组线化模型为对象设计控制律，最后在运行非线性模型的半物理仿真环境下，对基于两组线化模型设计的参数进行了仿真验证。
1 非线性模型线性化与模型对比分析本文采用物理建模方法建立某型无人直升机的非线性全量模型，对悬停状态的非线性全量模型以扫频和小扰动线性化分别得到线化模型，并比较两种线化模型的差异。
对悬停状态下的非线性全量模型，在悬停状态工作点配平后采取扫频激励的方式，输入信号为纵向周期变距的正弦波信号，如图1所示，频率从0.05Hz~3Hz ，低频段幅值为1°，中高频段采用逐渐降低幅值的方式防止开环状态下非线性模型过多偏离配平状态，由此得到了俯仰角速度的非线性响应数据，对该非线性响应数据进行频域辨识，由于扫频是在数字仿真环境下，俯仰角速度响应数据质量很高，因此采用Matlab 软件的辨识工具箱即可辨识出某型无人直升机俯仰姿态制律设计与仿真文/刘宝 顾冬雷 冯德利 黄兵旺 包振洲高精度的线性模型，辨识结果如表达式（1）所示，是典型的二阶系统模型，由图2看出，辨识模型与数字扫频仿真数据在幅值和相位上几乎能够完全拟合。
⽆⼈机技术知识要点民⽤⽆⼈机知识要点⼀、民⽤⽆⼈机主要分类1、固定翼⽆⼈机：优点：续航时间长、航程远、飞⾏速度快、飞⾏⾼度⾼、负载能⼒强缺点：起降受场地限制、不能在空中悬停2、直升机⽆⼈机优点：载荷较⼤、可垂直起降、空中悬停、灵活性强缺点：结构复杂、故障率⾼、维修成本⾼、续航时间短3、多旋翼⽆⼈机优点：操作灵活、结构简单、成本低、起降⽅便、可在空中悬停缺点：续航时间短、负载能⼒弱、飞⾏速度慢⼆、⽆⼈机主要硬件部分发展状况；图像传输系统：保障图像传输的实时性和清晰度；云台：保证相机稳定，避免飞⾏过程中颤抖引起的画⾯模糊。
⽆⼈机关键芯⽚产业分析和展望在现有的⽆⼈机上，主流⼚商使⽤的是ARM架构MCU芯⽚，例如意法半导体的STM32系列（⼤疆精灵系列⽆⼈机采⽤），Atmel的Mega2560 系列等芯⽚，这类芯⽚的特点是：主频低（STM32主频在200M Hz左右，Atmel的MCU低⾄20M Hz），计算能⼒较差，往往只能⽀持飞⾏控制功能，并不能提供⽆⼈机智能化所需要的⾼速计算和并⾏计算能⼒。
⽬前芯⽚业界三⼤巨头:⾼通、Intel、Nvidia都纷纷挺进⽆⼈机产业，推出以⾃⼰的移动芯⽚或图形计算芯⽚为核⼼的⽆⼈机参考设计或套件；此外中国芯⽚设计⼚商联芯科技也与中国⽆⼈机⼚商零度智控联合开发了⽤于智能⽆⼈机的⽅案。
对于Intel/⾼通/Nvidia/联芯四家⽅案的性能参数和特性见下表，这四家的⽅案在⽆⼈机应⽤上各有特⾊：⾼通传统优势在于其深厚的⽆线通讯技术和移动低功耗计算芯⽚的积累；其⽅案的CPU 主频是最⾼的；其⽅案也是所有⼚商中尺⼨最⼩的；虽然其GPU计算性能与Nvidia⽅案还存在⼀定差距，但已能够满⾜双⽬视觉计算需求，且与NV同样⽀持4K拍摄，因此可以判定其GPU 并⾏计算能⼒满⾜现有智能⽆⼈机需求；Intel传统优势领域为桌⾯计算和⾼性能计算，⽬前其优势在⽆⼈机领域体现并不明显，在表11中多项指标都处于劣势。
中国掌握无人直升机核心技术1吨级军机赶超美军中航工业直升机所无人机技术总监方永红不久前在接受采访时表示，直升机所的无人直升机研制能力达到了国内领先水平，直升机所已经完全具备了无人直升机的自主研制能力。
无人直升机具有垂直起降、起飞着陆场地小、适应性强、空中悬停、机动灵活、任务能力广泛、造价低等功能特点和应用优势，既可执行战术侦察、电子侦察、生化侦察、通讯中继、精确目标定位与指示、搜潜与反潜、精确打击等作战任务，还可以广泛应用于抢险救灾、公安执法、边境巡逻、电视拍摄转播、科学考察、农林播种与灭虫、输电输气线路巡查等民用领域，因此无人直升机受到了世界各国的垂青。
直升机所研制无人直升机的历史已近10年。
在这10年里，欧美发达国家对有人直升机、无人直升机市场同时展开了竞技角逐。
无人直升机发展迅猛，势头直逼早已成熟的固定翼无人飞机。
美国、以色列、欧洲更是先声夺人，技高一筹。
相比之下，我国的无人直升机研制起步较晚。
经过直升机所科研人员的努力，目前，我国无人直升机已曙光初现，展现出美好前景。
从零开始，将核心技术掌握在手中2004年，直升机所领导班子决策，组建无人直升机研究室，自筹经费研制U8无人直升机。
现任直升机所无人机部副部长刘芳国是最初参与无人直升机研制的专家之一，回顾当时的情景，他多有感慨地说，研制无人机的决策极富前瞻性，催生了一个新的产业。
然而，从零开始让刘芳国和同事们备尝艰辛，一路走来，从方案、设计、试制到试飞，他们一次次陷入技术瓶颈，一次次不得不面对故障频发的窘困。
曾任直升机所总师的老专家蒋新桐认为，研制无人直升机，主要存在三方面的困难：一是对象特性和飞行控制规律的分析和研究，二是特殊要求传感器的开发和研制，三是试验和试飞。
的确，许多参加过无人直升机研制的科研人员对此都刻骨铭心。
刘芳国介绍，发动机的控制、飞行时的振动、传动和旋翼系统，这些都是技术难点，尤其是传动系统的设计、加工，直升机所过去没有这方面的专业和设计经验，解决这些问题在技术上是一个突破。
无人机领域专利技术作者：孙小蕾来源：《电子技术与软件工程》2018年第03期摘要本文介绍了无人机领域的技术发展概况，尤其是国内无人机企业迅速崛起的技术支撑概况，详述了近年来无人机领域专利技术的特性，统计分析了该领域的在华申请态势、分领域技术分布和重要申请人，并分析了代表企业深圳大疆公司和广州极飞公司等消费级及商业级无人机关键专利技术。
【关键词】无人机深圳大疆广州极飞1 引言关于无人机，早期的无人机是高精尖的军用产品居多，诸如“全球鹰”、“捕食者”、“影子”等无人机的软硬件理论及实践技术精尖到让人望而却步；随着飞控核心代码开源，以及传感器、处理器、电池等硬件产业链的发展，多种研发团队蜂拥涉足无人机领域，无人机的发展如火如荼，可谓风靡一时。
本文通过专利检索结果，分析了无人机领域专利申请的时间分布、申请人情况、重要专利技术。
2 国内无人机发展及专利申请概况在关于无人机，在国际专利分类表中涉及B64、B65、G03B、G05D、G08G多个分类号。
无人机的近义词颇多，诸如无人机、无人驾驶飞机、无人驾驶飞行器、无人航空器、无人飞行器、无人直升机、无人作战机、无人轰炸机、遥控驾驶飞行器等，典型传统的英文缩写有RPV、UAV、UAS、RPA、RPAS、DRONE等。
国内研究无人机的科研院所有北航无人机所（后改制为无人系统研究院和给行无人机公司）、洪都航空、中航机电、中航工业、航天科技、西工大无人机所、中科院沈阳自动化所等等。
在消费级与商业级无人机领域，随着移动终端市场低迷，华为、小米、腾讯、奇虎360等互联网公司在无人机市场寻找新的突破点。
电商中的京东、顺丰等以及多家多类型上市公司，如伊立浦、炼石有色、中国宝安、雷柏科技、宗申动力、赛为智能、通裕重工、山河智能、海康威视等，也通过跨界联合或收购涉足其中，寻找市场蓝海。
笔者通过中国专利摘要数据库CNABS和德文特摘要数据库，检索并分析了无人机领域国内专利申请的数据统计和关键技术。
COVER STORY封面文章无人直升机设计关键技术南京航空航天大学 朱清华 张呈林在信息技术的推动下，无人机已经成为发展速度最快的机种，作为无人机体系中的重要分支——无人直升机，因其结构紧凑、转场灵活、空中悬停、垂直起降、低空低速性能、机动性和安全性高等特点，已经形成了覆盖靶标、情报侦察、战场监视、通信中继、目标指示、引导与摧毁、电子干扰与对抗、灾害灾情调查、气象探测、国土资源调查、地理信息测绘、电力巡线和输油管线巡线等军、民用任务领域的产品体系。
线和输油管线巡线等军、民用任务领域的产品体系。
但是，由于其特有的一些关键技术尚未完全突破，所以相对于无人机体系中的另一个分支——固定翼无人机，无人直升机的发展则比较滞后。
无人直升机的发展经历了一个较长的、持续改进与提高的过程。
从20世纪50年代起美国就开始研究无人直升机，到目前已有包括美国、Key Technologies of Unmanned Helicopter Design朱清华南京航空航天大学航空宇航学院副教授、硕导，飞行器设计专业博士，研究方向为旋翼飞行器总体设计、直升机飞行力学与控制、直升机工程。
在信息技术的推动下，无人机已经成为发展速度最快的机种，作为无人机体系中的重要分支——无人直升机，因其结构紧凑、转场灵活、空中悬停、垂直起降、低空低速性能、机动性和安全性高等特点，已经形成了覆盖靶标、情报侦察、战场监视、通信中继、目标指示、引导与摧毁、电子干扰与对抗、灾害灾情调查、气象探测、国土资源调查、地理信息测绘、电力巡COVER STORY以色列、俄罗斯、英国等十多个国家在研究和生产无人直升机。
根据发展途径可以分为三类：（1）无线电遥控模型直升机飞行自主化，即在遥控航模直升机基础上增加自动导航功能，该类无人直升机起飞时重量较小，有效载荷不大；（2）有人直升机无人化，即直接将有人直升机改为无人直升机，或沿用有人直升机构型研制无人直升机；（3）摆脱常规直升机构型设计，充分发挥无人飞行器不受载人条件限制的技术优势，最大限度地提升飞行性能和对不同任务的适应能力。
无人直升机和固定翼无人机相比，除了飞行包线及用途外，突出的特点还有：（1）无人直升机的旋翼既是升力面又是操纵面，姿态调整通过操纵旋翼得以实现，但各姿态控制通道相互耦合，操纵过程中协调动作多, 控制系统各通道间协调配置比固定翼无人机更为复杂困难；（2）无人直升机旋翼气动力较小，旋翼拉力基本与飞行速度无关，而且旋翼动量矩很大, 如果按照无桨毂力矩式设计，会使得无人直升机的操纵反应迟缓；（3）无人直升机的稳定性较差，尤其在悬停状态时。
与有人直升机相比，无人直升机具有无人员伤亡、体积小、造价低、战场生存力高等特点，而且构型和气动布局也可以不受有人驾驶时的约束而多样化。
由上述特点形成了无人直升机技术的复杂性，迄今为止只有少数型号无人直升机正式装备部队投入实际应用。
要想实现快速发展无人直升机的目的，就必须突破一些难度较大的关键技术。
总体构型与气动布局设计技术总体构型与气动布局设计是无人直升机总体设计的主要内容，要依的SUAV。
该型无人直升机技术延续有人驾驶的倾转旋翼机V-22和BA609，其特点是速度快，结合了固定翼飞机的中高速飞行性能和直升机的悬停、垂直飞行的低速机动性能；其缺点是控制相当复杂，对动力装置及机载监测和控制设备要求高。
（4）涵道旋翼式（包括涵道螺旋桨式、涵道风扇式）。
根据平衡反扭矩的不同方式，可将无人直升机分为共轴双桨式和单桨式。
其中共轴双桨反转相互平衡反扭矩，如美国的Cypher；单桨式则靠涵道底部安装导流片或翼板，在旋翼/螺旋桨/风扇的尾流下产生气动力形成对重心的力矩以此来平衡反扭矩，如美国的ISTAR、Helispy。
这类无人飞行器具有对称结构的涵道机体，布局紧凑、安全性高、操纵性好，双桨式稳定性好、悬停效率高，单桨式可倾转飞行、机动性好、速度快；缺点是双桨式飞行速度慢、单桨式垂直飞行气动效率低。
（5）升力转换式。
主要通过旋翼/机翼转换升力。
据技术要求选择恰当的型式，合理布置各气动部件的位置及形状，从而提出总体布局方案。
总体构型与气动布局设计技术涉及型式、参数和外形的设计，融合了空气动力学、飞行力学、航空材料与工艺学、结构强度和动力学等多个方面的专业技术，是一项决定无人直升机飞行性能的关键技术。
不同型式的直升机，相关的设计问题差异很大，其中构型设计是影响全局的重要决策。
目前，根据构型的不同，无人直升机大致可分成四大类：（1）单旋翼带尾桨式。
如美国的MQ-8、奥地利的Camcopter S-100、日本的RMAX和中国的WZ-1等无人直升机。
此类型无人直升机采用常规的单旋翼带尾桨式，可充分借鉴技术相对成熟的有人直升机的设计经验和构造结构、从而实现操纵较为简单目的；缺点是占地空间大、安全性低、效率偏低。
MQ-8“火力侦察兵”（Fire Scout）是战术无人直升机典型代表，已在美国海军部队列装。
（2）共轴双旋翼式。
如加拿大的CL-327、俄罗斯的Ka-37、美国的QH-50、英国的Sprite、中国的“海鸥”等都是此类无人直升机。
其优点是气动效率和操纵效率高、结构较为紧凑、纵向尺寸小；缺点是高度较高、传动及操纵机构较为复杂。
（3）倾转旋翼式。
如美国的Eagle-Eye、韩国COVER STORY垂直飞行时靠旋翼旋转提供升力，水平前飞时旋翼停转转换为固定翼，如美国的Dragonfly；也有水平前飞时旋翼倾成螺旋桨提供拉力，机翼倾转成升力面，如美国的MTR-SD。
这类飞行器构型具有原理新颖、高速等特点，但升力转换难度大、操纵复杂，该项技术还在求证中，有待检验。
不同构型的无人直升机气动布局各有不同，总体设计也不同。
即使同一种构型的直升机，由于气动布局的不同，其几何外形和气动性能也会有很大差别。
无人直升机的气动布局是指直升机气动外形、各部件的外形、参数及相互位置的确定，其目的是使直升机具有所要求的空气动力性能——飞行性能及操纵性、稳定性。
在分析气动布局时，除了主要从空气动力的要求考虑以外，还必须考虑到最小重量、使用、工艺等方面的要求及结构布置的可能性。
直升机是否具有良好的飞行动力学特性在很大程度上决定于气动布局，在气动布局中必须保证直升机在前飞时，具有一定的迎角静稳定性、速度静稳定性、航向静稳定性、上反效应及角速度阻尼等。
直升机的旋翼及机身往往是迎角静不稳定的，因此，必须采取其他措施来抵消，如安装水平尾面。
假如通过气动布局能使直升机在平衡状态时旋翼合力位于重心之后，也可以改善迎角静不稳定性。
除此以外，气动布局还必须保证飞行状态改变时（如由悬停转入前飞、前飞转入自转等），作用在直升机上的力矩不致于产生突然的变化。
通过气动布局及重心定位，系统还应保证在各种飞行状态及极限重心位置时直升机的平衡，并留有一定的操纵余量。
另外，在进行无人直升机构型与气动布局设计时，避免各部件相互气动干扰是重要的设计内容之一。
气动干扰主要是旋翼与机身的气动干扰、旋翼下洗流对平尾和垂尾及尾桨的干扰、尾桨与垂尾的干扰，因此，在气动布局时要恰当地安排各气动部件的相互位置，以此避免或减少各种负面影响。
设计无人直升机时要解决总体构型与气动布局设计这一关键技术，有效途径是通过理论与试验相结合的方法充分掌握不同构型与气动布局的气动干扰机理，精细化建立空气动力学模型，多学科设计优化参数，并采用CFD模拟计算和风洞吹风试验验证。
飞行控制与导航技术从飞行控制和导航技术来看，由于无人直升机作为受控对象具有多变量、非线性、强耦合性、时变性等特性，是一种稳定性差、不易操纵和难以控制的飞行器。
所以目前飞行控制和导航技术是制约无人直升机投入实际应用中的瓶颈，也是一项决定无人直升机飞行品质的一项关键技术。
美军根据飞行控制与导航技术水平的高低，按照发展型谱把无人直升机的能力分类定义成十级，分别是：远程引导飞行控制能力、实时故障诊断与监控能力、飞行条件和故障的适应能力、机上航线再规划、集群配合、集群战奥地利的Camcopter S-100美国贝尔公司的Eagle-EyeCOVER STORY控制策略设计、智能化故障模式识别与处理、综合电气管理等相关内容。
设计无人直升机时不仅仅需要先进的飞行控制与导航理论和经验（并装有功能强大的机载计算机系统），同时还对传感器技术和测控技术提出了要求。
为了突破这一关键技术，科研技术人员尝试了鲁棒控制、遗传模糊控制、显模型跟踪控制等控制方法，以及视觉导航技术和嵌入式飞控系统、分布式飞控系统等系统设计方面的探索。
但还没有形成行之有效的方法。
遥测遥控技术由于在大部分的时间里无人直升机都在地面人员的视野之外飞行，在飞行器和地面控制站之间必须有稳定、可靠、高速的数据传输通道，地面人员对飞机的各种监视测量和操纵控制都依赖于提供数据通道的遥测遥控系统。
遥测遥控技术是解决通信链路和遥测遥控数据高可靠性、稳定性、实时性，以及飞机各种状态的准确测量技术难题，建立遥测遥控系统的关键技术，是一项保证无人直术再规划、集群战术目标、分布式控制、集群战略目标和完全自主集群。
概括起来就是无人直升机的飞行控制与导航技术水平可分为四类：遥控飞行技术、自动飞行技术、自主飞行技术和智能飞行技术。
无人直升机遥控飞行需要地面人员操纵，按人工指令飞行，其中包括连续指令和离散指令控制飞行两种状态。
自动飞行需要预编程机载飞控系统，无人直升机按编定的程序指令飞行，具有自动导航功能，可按照程序设定实现自动起飞、航线飞行和着陆（舰）。
自主飞行需要先进的机载传感器、飞控和导航系统，在给定任务后，无人直升机自行判断飞行状态、自发指令控制飞行，具有自主目标识别和自主航迹重规划能力；智能飞行则是在自主飞行的基础上，增加智能化的机载设备，可实现单机间合作飞行、多机编队飞行、有人机与无人机协同飞行。
就目前发展情况来看，无人直升机的飞行控制技术和导航技术还不够成熟。
当前各国研发的无人直升机大多实现了自动飞行的计划，在不同环境风速条件下，自动控制功能的可靠性和精度（尤其是大速度前飞自动控制），以及作为无人直升机在实际应用当中所必须具有的自动起飞、着陆（舰）功能还在研究和仿真试验阶段当中，且缺乏严重应付突发性事件的能力，系统只能执行预定的任务。
在向自主飞行阶段迈进后，无人直升机都将集自主飞行、自动飞行和人工实时遥控飞行于一身，可以通过指令切换飞行方式，既适应不同场合或执行不同任务，也可以在紧急情况下启用该技术以提高生存力。
飞行控制和导航技术涉及状态测量、信息综合与管理、姿态控制等方面的技术，包含了起降/飞行控制律设计、航线规划及全向导航设计、发动机控制律设计、人工智能与容错升机超视距安全可靠飞行的关键技术。
无人直升机的遥测遥控系统不仅包括通信信道部分，还包括无人直升机地面检测、指挥、操纵与协同等部分内容。
