关于四旋翼无人机的控制方法研究

2018-11-29张浩峰

中国科技纵横 2018年2期

关键词：旋翼控制算法姿态

张浩峰

(北京161中学,北京 100031)

1 绪论

无人机最初起源于20世纪初,在当时主要应用于战争,是各国军事发展的重中之重,可以满足不同的战略需要。如今无人机可分为固定翼飞机、旋翼飞机(包括直升机、多旋翼飞机、自旋翼飞机)、倾转旋翼机、伞翼机、鹞式飞机等。

随着时代发展,多旋翼已经渐渐替代了固定翼,其中四旋翼无人机的性能尤为出色,表现在结构紧凑、简单、轻便、四只旋翼可以相互抵消反扭力矩使其性能卓越、易于操作等特点,甚至随之技术的增长,飞机的自由度也增加至更多,更加自由。

控制作为无人机的核心,飞机的控制技术也在不断发展,二战时期美国研制出的电气式自动驾驶仪可实现飞机的三轴姿态稳定,直到二战后美国才实现飞机从起飞到着落的全过程自动化,在完成飞机最基本的能力之后,才渐渐将注意力转移飞机的性能及品质,从最初机械人力操纵,到助力飞行操纵,到人感系统操纵,到如今的电传动操纵,都在不断提高飞机的稳定性,抗干扰性,有效性。

但随着技术的纯熟和时代的需要,四旋翼无人机的应用非常广泛,不仅用于军事,也可以派送快件,提高物流效率;在工业领域进行测绘;在农业方面提供高效的喷洒农药服务;在通讯方面搭建通讯平台;在库存管理方面利用RF ID技术进行仓库盘点,随着无人机市场的壮大,许多想法都可以实现,逐渐融入平常生活中。

但四旋翼无人机同样有着不可避免的缺点,如控制算法复杂,抗干扰性差等。因此,四旋翼无人机有着非常大的发展、提升的空间。可从以下方面进行深入研究：

1.1 优化设计

在智能避障方面,通过激光、红外线、超声波等视觉导航技术进行避障处理。加入地形跟踪回避等综合子系统,利用能源管理、三维导航等技术自动生成和执行飞行计划及轨迹指令,减轻飞行员或者操纵人员的工作负荷。

在飞行编队方面,对无人机的航迹进行规划,进一步提高无人机间协同作战能力,完善通讯链路等。

1.2 动力与能源

因为电动无人机的续航原因,限制了它的应用范围,为此,在民用领域,氢燃料电池已投入使用,另一方面,石墨烯也成为最近研发出的新材料,由于出色的特性,更能增加能量密度和耐热性,而且使用寿命是锂电池的两倍,使其有望替代锂电池。

1.3 数学模型的精确建立

一般的无人机都是非线性模型,在近似线性化的时候会使模型不准确,而一般仿真的时候都是系统辨识,所以,这就导致实际飞行参数与仿真的参数有偏差。

1.4 飞行控制

早期飞机功能简单,通过人工操纵即可实现控制,但是随着任务的复杂性,资源有限性,需要实现飞机的自主操作,所以控制算法也随之与时俱进,所以许多问题应运而生。诸如,四旋翼无人机由于姿态角在变化时存在耦合现象,要进行解耦处理;无人机的路径规划,完成高精度的控制,并且能根据环境或者指令的突然变化做出调整等。

1.5 导航和通讯

一方面,一般无人机在飞行时,需要实时传递信息更新信息,需要无人机和地面站之间的信息通讯,所以导航算法的结算速度,信息的更新速度,都影响着无人机的飞行精度,甚至飞行器的安全;另一方面,近地面环境,有树木房屋遮掩,G PS不能正常工作,无人机需要及时处理,对位置姿态进行预判等。

以上几点都是制约着无人机的发展因素,同时也是无人机发展的关键。

2 关于飞机的控制结构

根据控制原理,控制系统主要由控制器、执行器、控制对象、测量装置(传感器)构成的。以四旋翼无人机为例,其中控制器主要由芯片组成,执行器为电机,被控对象为旋翼的转速和方向,测量装置包括陀螺仪、加速度计、磁力计、高度计、GPS等,主要控制系统为闭环控制,即反馈控制系统。此外,四旋翼无人机还需要一个通讯模块,其主要是用无线链路进行实现的,以及一个电源模块,用来保持系统的正常通电。

飞机在自主飞行时,都需要通过各个环节进行控制,一般都需要决策层(通过传感器得到的信息做出感应、反应)、外环控制器(控制高度、位置信息)、内环控制器(控制速度稳定)。

3 四旋翼无人机的控制系统

四旋翼无人机采用的控制算法整体来说,分为基于模型的线性和非线性控制,如P I D控制、L Q R控制、自适应控制、滑模控制等,以及基于学习的控制方法(无需了解动力学模型)。如神经网络控制、模糊控制等。

3.1 飞机的飞行原理及控制思想

关于飞机的运动控制设计,需要以下四个步骤：

(1)进行数学建模。对于飞机进行一个受力分析,把飞机分布的压力可以看作作用于飞机质心的合力和合力矩。合力包括阻力、升力和侧力,力矩包括俯仰力矩、偏航力矩和滚转力矩。研究控制系统的目的是为了保证飞机的稳定性。其中,焦点的位置决定了飞机的静稳定性,因此在设计飞机时,尽量把质心放在焦点之前来保持飞机的俯仰静稳定性。与此同时,还需要保证飞机的滚转稳定性以及航向静稳定性(也称为风标稳定性),主要消除侧滑角的方向偏转,使其能回到原来的航线。

列写动力学和静力学方程,包括其线运动和角运动。合外力为零时,可保持定常平飞运动。

(2)进行线性化处理,便于设计控制。

(3)建立控制框图。

(4)加入与其系统模型相适应的控制律,使其达到更好的控制效果。

3.2 针对四旋翼无人机的PID控制方法

P I D控制是四旋翼无人机实际工程中应用最广泛的控制方法。PID有三个控制环节：比例环节主要调节系统的响应速度和稳态误差;积分环节主要为了消除稳态误差;微分环节主要为了缩短调节时间。加入P I D的目的是用于飞机的姿态回路控制,使飞机按指令进行飞行,结合高度控制即可实现四旋翼飞行棋的自主悬停。

通过查找相应的文献,使用P I D控制方法使四旋翼无人机能够按照给定的姿态回路的角度进行跟踪和控制,但是姿态角的响应速度较慢。由于高度与俯仰、滚转相互影响,所以当俯仰和滚转的角度较大时,高度会存在一个较大的稳态误差,而在平衡位置时,对高度通道影响就较小。所以,运用P ID控制算法,就不需要很复杂的过程,易于操作和理解,鲁棒性强,实践性强,具体参数都需要根据实物进行调试,但是控制效果一般。所以尽管PID控制方法使用最广泛,但其他的智能控制方法也在逐渐替代它。