關(guān)于四旋翼無人機(jī)的控制方法研究

張浩峰

(北京161中學(xué),北京 100031)

1 緒論

無人機(jī)最初起源于20世紀(jì)初,在當(dāng)時主要應(yīng)用于戰(zhàn)爭,是各國軍事發(fā)展的重中之重,可以滿足不同的戰(zhàn)略需要。如今無人機(jī)可分為固定翼飛機(jī)、旋翼飛機(jī)(包括直升機(jī)、多旋翼飛機(jī)、自旋翼飛機(jī))、傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)、傘翼機(jī)、鷂式飛機(jī)等。

隨著時代發(fā)展,多旋翼已經(jīng)漸漸替代了固定翼,其中四旋翼無人機(jī)的性能尤為出色,表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)緊湊、簡單、輕便、四只旋翼可以相互抵消反扭力矩使其性能卓越、易于操作等特點(diǎn),甚至隨之技術(shù)的增長,飛機(jī)的自由度也增加至更多,更加自由。

控制作為無人機(jī)的核心,飛機(jī)的控制技術(shù)也在不斷發(fā)展,二戰(zhàn)時期美國研制出的電氣式自動駕駛儀可實現(xiàn)飛機(jī)的三軸姿態(tài)穩(wěn)定,直到二戰(zhàn)后美國才實現(xiàn)飛機(jī)從起飛到著落的全過程自動化,在完成飛機(jī)最基本的能力之后,才漸漸將注意力轉(zhuǎn)移飛機(jī)的性能及品質(zhì),從最初機(jī)械人力操縱,到助力飛行操縱,到人感系統(tǒng)操縱,到如今的電傳動操縱,都在不斷提高飛機(jī)的穩(wěn)定性,抗干擾性,有效性。

但隨著技術(shù)的純熟和時代的需要,四旋翼無人機(jī)的應(yīng)用非常廣泛,不僅用于軍事,也可以派送快件,提高物流效率;在工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行測繪;在農(nóng)業(yè)方面提供高效的噴灑農(nóng)藥服務(wù);在通訊方面搭建通訊平臺;在庫存管理方面利用RF ID技術(shù)進(jìn)行倉庫盤點(diǎn),隨著無人機(jī)市場的壯大,許多想法都可以實現(xiàn),逐漸融入平常生活中。

但四旋翼無人機(jī)同樣有著不可避免的缺點(diǎn),如控制算法復(fù)雜,抗干擾性差等。因此,四旋翼無人機(jī)有著非常大的發(fā)展、提升的空間。可從以下方面進(jìn)行深入研究：

1.1 優(yōu)化設(shè)計

在智能避障方面,通過激光、紅外線、超聲波等視覺導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行避障處理。加入地形跟蹤回避等綜合子系統(tǒng),利用能源管理、三維導(dǎo)航等技術(shù)自動生成和執(zhí)行飛行計劃及軌跡指令,減輕飛行員或者操縱人員的工作負(fù)荷。

在飛行編隊方面,對無人機(jī)的航跡進(jìn)行規(guī)劃,進(jìn)一步提高無人機(jī)間協(xié)同作戰(zhàn)能力,完善通訊鏈路等。

1.2 動力與能源

因為電動無人機(jī)的續(xù)航原因,限制了它的應(yīng)用范圍,為此,在民用領(lǐng)域,氫燃料電池已投入使用,另一方面,石墨烯也成為最近研發(fā)出的新材料,由于出色的特性,更能增加能量密度和耐熱性,而且使用壽命是鋰電池的兩倍,使其有望替代鋰電池。

1.3 數(shù)學(xué)模型的精確建立

一般的無人機(jī)都是非線性模型,在近似線性化的時候會使模型不準(zhǔn)確,而一般仿真的時候都是系統(tǒng)辨識,所以,這就導(dǎo)致實際飛行參數(shù)與仿真的參數(shù)有偏差。

1.4 飛行控制

早期飛機(jī)功能簡單,通過人工操縱即可實現(xiàn)控制,但是隨著任務(wù)的復(fù)雜性,資源有限性,需要實現(xiàn)飛機(jī)的自主操作,所以控制算法也隨之與時俱進(jìn),所以許多問題應(yīng)運(yùn)而生。諸如,四旋翼無人機(jī)由于姿態(tài)角在變化時存在耦合現(xiàn)象,要進(jìn)行解耦處理;無人機(jī)的路徑規(guī)劃,完成高精度的控制,并且能根據(jù)環(huán)境或者指令的突然變化做出調(diào)整等。

1.5 導(dǎo)航和通訊

一方面,一般無人機(jī)在飛行時,需要實時傳遞信息更新信息,需要無人機(jī)和地面站之間的信息通訊,所以導(dǎo)航算法的結(jié)算速度,信息的更新速度,都影響著無人機(jī)的飛行精度,甚至飛行器的安全;另一方面,近地面環(huán)境,有樹木房屋遮掩,G PS不能正常工作,無人機(jī)需要及時處理,對位置姿態(tài)進(jìn)行預(yù)判等。

以上幾點(diǎn)都是制約著無人機(jī)的發(fā)展因素,同時也是無人機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵。

2 關(guān)于飛機(jī)的控制結(jié)構(gòu)

根據(jù)控制原理,控制系統(tǒng)主要由控制器、執(zhí)行器、控制對象、測量裝置(傳感器)構(gòu)成的。以四旋翼無人機(jī)為例,其中控制器主要由芯片組成,執(zhí)行器為電機(jī),被控對象為旋翼的轉(zhuǎn)速和方向,測量裝置包括陀螺儀、加速度計、磁力計、高度計、GPS等,主要控制系統(tǒng)為閉環(huán)控制,即反饋控制系統(tǒng)。此外,四旋翼無人機(jī)還需要一個通訊模塊,其主要是用無線鏈路進(jìn)行實現(xiàn)的,以及一個電源模塊,用來保持系統(tǒng)的正常通電。

飛機(jī)在自主飛行時,都需要通過各個環(huán)節(jié)進(jìn)行控制,一般都需要決策層(通過傳感器得到的信息做出感應(yīng)、反應(yīng))、外環(huán)控制器(控制高度、位置信息)、內(nèi)環(huán)控制器(控制速度穩(wěn)定)。

3 四旋翼無人機(jī)的控制系統(tǒng)

四旋翼無人機(jī)采用的控制算法整體來說,分為基于模型的線性和非線性控制,如P I D控制、L Q R控制、自適應(yīng)控制、滑?？刂频?以及基于學(xué)習(xí)的控制方法(無需了解動力學(xué)模型)。如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制等。

3.1 飛機(jī)的飛行原理及控制思想

關(guān)于飛機(jī)的運(yùn)動控制設(shè)計,需要以下四個步驟：

(1)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。對于飛機(jī)進(jìn)行一個受力分析,把飛機(jī)分布的壓力可以看作作用于飛機(jī)質(zhì)心的合力和合力矩。合力包括阻力、升力和側(cè)力,力矩包括俯仰力矩、偏航力矩和滾轉(zhuǎn)力矩。研究控制系統(tǒng)的目的是為了保證飛機(jī)的穩(wěn)定性。其中,焦點(diǎn)的位置決定了飛機(jī)的靜穩(wěn)定性,因此在設(shè)計飛機(jī)時,盡量把質(zhì)心放在焦點(diǎn)之前來保持飛機(jī)的俯仰靜穩(wěn)定性。與此同時,還需要保證飛機(jī)的滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定性以及航向靜穩(wěn)定性(也稱為風(fēng)標(biāo)穩(wěn)定性),主要消除側(cè)滑角的方向偏轉(zhuǎn),使其能回到原來的航線。

列寫動力學(xué)和靜力學(xué)方程,包括其線運(yùn)動和角運(yùn)動。合外力為零時,可保持定常平飛運(yùn)動。

(2)進(jìn)行線性化處理,便于設(shè)計控制。

(3)建立控制框圖。

(4)加入與其系統(tǒng)模型相適應(yīng)的控制律,使其達(dá)到更好的控制效果。

3.2 針對四旋翼無人機(jī)的PID控制方法

P I D控制是四旋翼無人機(jī)實際工程中應(yīng)用最廣泛的控制方法。PID有三個控制環(huán)節(jié)：比例環(huán)節(jié)主要調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)誤差;積分環(huán)節(jié)主要為了消除穩(wěn)態(tài)誤差;微分環(huán)節(jié)主要為了縮短調(diào)節(jié)時間。加入P I D的目的是用于飛機(jī)的姿態(tài)回路控制,使飛機(jī)按指令進(jìn)行飛行,結(jié)合高度控制即可實現(xiàn)四旋翼飛行棋的自主懸停。

通過查找相應(yīng)的文獻(xiàn),使用P I D控制方法使四旋翼無人機(jī)能夠按照給定的姿態(tài)回路的角度進(jìn)行跟蹤和控制,但是姿態(tài)角的響應(yīng)速度較慢。由于高度與俯仰、滾轉(zhuǎn)相互影響,所以當(dāng)俯仰和滾轉(zhuǎn)的角度較大時,高度會存在一個較大的穩(wěn)態(tài)誤差,而在平衡位置時,對高度通道影響就較小。所以,運(yùn)用P ID控制算法,就不需要很復(fù)雜的過程,易于操作和理解,魯棒性強(qiáng),實踐性強(qiáng),具體參數(shù)都需要根據(jù)實物進(jìn)行調(diào)試,但是控制效果一般。所以盡管PID控制方法使用最廣泛,但其他的智能控制方法也在逐漸替代它。

4 結(jié)語

由于四旋翼無人機(jī)存在的一些缺點(diǎn),我們需要通過控制使其具備穩(wěn)定飛行、自動飛行、根據(jù)指令反饋信息等功能。

傳統(tǒng)的控制方法主要集中在姿態(tài)和高度控制,但由于四旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度與日俱增和應(yīng)用范圍越來越廣,未來應(yīng)將研究擴(kuò)展到來控制速度、位置、航向、3 D軌跡跟蹤等方面。

[1] 韓雨桐.四旋翼無人機(jī)飛行控制方法研究[D].東北大學(xué),2014.

[2] 郭曉鴻.微型四旋翼無人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].南京航空航天大學(xué),2012.

[3] 殷強(qiáng).四旋翼無人機(jī)自主控制系統(tǒng)研究[D].天津大學(xué),2012.

[4] 張明廉.飛行控制系統(tǒng)[M].航空工業(yè)出版社,1994：55-80.