小型無(wú)人直升機(jī)控制方法探討

摘 要：分別針對(duì)小型無(wú)人直升機(jī)懸停和低速前飛兩種工況引用的簡(jiǎn)化模型展開(kāi)討論，外環(huán)的軌跡控制閉環(huán)采用經(jīng)典的PID控制法，內(nèi)環(huán)的姿態(tài)（俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航）控制閉環(huán)采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能控制法。這樣即可實(shí)現(xiàn)對(duì)小型無(wú)人直升機(jī)多工況多回路的融合控制，完成其飛行控制器控制方法的研究。

關(guān)鍵詞：無(wú)人直升機(jī)；多工況多回路；融合控制

中圖分類(lèi)號(hào)：V1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3198（2008）09-0397-02

0 前言

電影電視中常常會(huì)出現(xiàn)無(wú)人直升機(jī)的身影：它能在險(xiǎn)惡的環(huán)境里救助遇難者，能在城市上空指揮追捕逃犯，能在叢林中調(diào)查野生動(dòng)物；尤其它能在戰(zhàn)場(chǎng)上靈活攻擊敵人，比如在美國(guó)對(duì)伊拉克等國(guó)家的空中打擊以及對(duì)阿富汗的軍事行動(dòng)中，它都發(fā)揮了巨大的作用。無(wú)人直升機(jī)的飛行本領(lǐng)非常之大，它幾乎不受場(chǎng)地條件的約束，只要有一小塊地方就可以起飛，它除能垂直起飛上升和前飛外，還能進(jìn)行側(cè)飛，甚至倒飛，這些都是普通飛機(jī)望塵莫及的。這些神奇的飛行本領(lǐng)使之在很多場(chǎng)合發(fā)揮著獨(dú)特的作用。

飛行控制問(wèn)題是小型無(wú)人直升機(jī)研究的關(guān)鍵問(wèn)題，廣大科研工作者一直都在忙于先進(jìn)飛行控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)工作，針對(duì)非線性，采用線性化技術(shù)進(jìn)行近似處理；針對(duì)多輸入多輸出，采用現(xiàn)代控制技術(shù)；為盡可能減少?gòu)?qiáng)噪聲和強(qiáng)耦合的干擾，采用智能控制技術(shù)。比較典型的控制方法有經(jīng)典控制、魯棒控制、智能控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，利用這些先進(jìn)控制技術(shù)，在小型無(wú)人直升機(jī)飛行控制的研究工作中取得了很多成果。但是，因?yàn)樾⌒蜔o(wú)人直升機(jī)本身的復(fù)雜性和飛行控制的欠驅(qū)動(dòng)性，大大地增加了其控制器的設(shè)計(jì)與控制難度。不同工況時(shí)，小型無(wú)人直升機(jī)受模型誤差、時(shí)變參數(shù)和隨機(jī)干擾的影響不一樣；不同回路時(shí)，其控制變量受模型誤差、時(shí)變參數(shù)和隨機(jī)干擾的影響也不一樣，這就決定了控制方法的復(fù)雜性，假如僅用某一種控制方法就很難達(dá)到良好的控制。在此本文提出多工況多回路融合控制的飛行控制方法，針對(duì)受模型誤差、時(shí)變參數(shù)和隨機(jī)干擾的影響較小的采用經(jīng)典的PID控制，影響較大的采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能控制，從而可獲得良好的控制品質(zhì)。

1 多工況多回路融合控制的基本概念

1.1 系統(tǒng)框圖

小型無(wú)人直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖一。圖一所示的飛行控制系統(tǒng)分為三個(gè)主要部分，即任務(wù)規(guī)劃模塊、軌跡控制回路和姿態(tài)閉環(huán)控制回路，任務(wù)規(guī)劃模塊按照某種準(zhǔn)則，把給定的飛行任務(wù)分解為一系列不同工況飛行動(dòng)作序列，并由此規(guī)劃完成給定飛行任務(wù)的完整飛行軌跡；之后，由飛行軌跡計(jì)算給定X、Y軸的飛行速度、高度和偏航角，作為軌跡控制回路的輸入；在軌跡控制回路中，參考模型根據(jù)飛行品質(zhì)等級(jí)要求，計(jì)算出相應(yīng)的

Xc，c，X#8226;#8226;c，

Yc，c，Y#8226;#8226;c，

Zc，c，

最后由模型逆計(jì)算三個(gè)姿態(tài)角給定Ψc，θc，Φc和4個(gè)控制變量δcol，δion，δlat，δtv，作為姿態(tài)閉環(huán)控制回路的輸入，控制小型無(wú)人直升機(jī)以獲得所需的姿態(tài)角，實(shí)現(xiàn)軌跡跟蹤。

1.2 多工況

小型無(wú)人直升機(jī)具有垂直起降、空中懸停、協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎、向前和向后飛行等多種工況，而且小型無(wú)人直升機(jī)本身具有多變量、非線性耦合和柔性結(jié)構(gòu)等多種動(dòng)力學(xué)特性，導(dǎo)致其模型參數(shù)在不同工況下有較大差別，對(duì)應(yīng)飛行控制器的控制律也不一樣。首先，本文采用美國(guó)麻省理工大學(xué)學(xué)者建立的X-Cell小型航模直升機(jī)的數(shù)學(xué)模型作為康達(dá)90級(jí)油動(dòng)小型航模直升機(jī)的數(shù)學(xué)模型，針對(duì)相關(guān)的模型參數(shù)，進(jìn)行近似與簡(jiǎn)化處理，從而獲得小型航模直升機(jī)用于仿真和控制的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，主要探討懸停和低速前飛兩種工況，每一種工況對(duì)應(yīng)一種簡(jiǎn)化模型；其次，針對(duì)懸停和低速前飛兩種不同的工況，設(shè)計(jì)出不同的控制律，完成飛行控制器相應(yīng)部分的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)“多工況”。

1.3 多回路

由飛行控制系統(tǒng)框圖易知，小型無(wú)人直升機(jī)的飛行控制器設(shè)計(jì)是非常復(fù)雜的，主要包括兩個(gè)控制閉環(huán)：內(nèi)環(huán)的姿態(tài)控制閉環(huán)和外環(huán)的軌跡控制閉環(huán)，其中內(nèi)環(huán)又分成俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航三個(gè)控制回路。由此可得，小型無(wú)人直升機(jī)的飛行控制系統(tǒng)包括俯仰回路、滾轉(zhuǎn)回路、偏航回路和軌跡回路四個(gè)控制回路。設(shè)計(jì)好結(jié)構(gòu)相同的俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航三個(gè)閉環(huán)，共同構(gòu)成姿態(tài)閉環(huán)控制回路，作為飛行控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，提供軌跡跟蹤所需的飛行姿態(tài)，再進(jìn)一步完成軌跡跟蹤閉環(huán)的設(shè)計(jì)，作為飛行控制系統(tǒng)的外環(huán)。并設(shè)計(jì)出相應(yīng)的控制律，實(shí)現(xiàn)“多回路”。

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2 多工況多回路融合控制的實(shí)現(xiàn)策略

2.1 總體控制策略

本文探討研究中，是直接引用美國(guó)麻省理工大學(xué)的X-Cell小型航模直升機(jī)的數(shù)學(xué)模型作為康達(dá)90級(jí)油動(dòng)小型航模直升機(jī)的數(shù)學(xué)模型，再進(jìn)行線性化處理獲得其簡(jiǎn)化模型，一種工況對(duì)應(yīng)一種簡(jiǎn)化模型，為實(shí)現(xiàn)小型無(wú)人直升機(jī)多工況多回路的融合控制，采用的總體控制策略是：分別針對(duì)懸停和低速前飛兩種工況引用的簡(jiǎn)化模型，外環(huán)的軌跡控制閉環(huán)采用經(jīng)典的PID控制法，內(nèi)環(huán)的姿態(tài)（俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航）控制閉環(huán)采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能控制法。這樣即可實(shí)現(xiàn)對(duì)小型無(wú)人直升機(jī)多工況多回路的融合控制，完成其飛行控制器的設(shè)計(jì)。

2.2 控制方法的探討?yīng)?/p>

本文探討的主要任務(wù)是對(duì)小型無(wú)人直升機(jī)多工況多回路融合控制方法進(jìn)行研究，為設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)小型、廉價(jià)、可靠的飛行控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)小型無(wú)人直升機(jī)的自主飛行奠定基礎(chǔ)。采取的控制方法主要有：

（1）經(jīng)典的PID控制法。

本課題是采用美國(guó)麻省理工大學(xué)的X-Cell小型航模直升機(jī)的數(shù)學(xué)模型作為康達(dá)90級(jí)油動(dòng)小型航模直升機(jī)的數(shù)學(xué)模型，再通過(guò)線性化技術(shù)獲取實(shí)際近似簡(jiǎn)化模型。其外環(huán)軌跡跟蹤控制回路受模型誤差、時(shí)變參數(shù)和隨機(jī)干擾的影響相對(duì)較小，可以采用經(jīng)典的PID控制法進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，即可獲得良好的控制品質(zhì)。

PID 控制算法是按誤差的比例、積分、微分進(jìn)行控制的，理論上已經(jīng)證明這種控制算法對(duì)純滯后特性的受控對(duì)象是一種最佳的常規(guī)控制算法。在常規(guī)控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律又分比例（P），比例積分（PI）和比例積分微分（PID）幾種。它們都是線性調(diào)節(jié)器，其作用是將給定值r 與被控參數(shù)的實(shí)際輸出 y 構(gòu)成控制偏差e = r-y，并將此偏差的比例、比例加積分、比例加積分加微分構(gòu)成控制量。它們分別被稱(chēng)為比例調(diào)節(jié)器、比例積分調(diào)節(jié)器和比例積分微分調(diào)節(jié)器。

（2）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能控制法。

本文是采用美國(guó)麻省理工大學(xué)的X-Cell小型航模直升機(jī)的數(shù)學(xué)模型作為康達(dá)90級(jí)油動(dòng)小型航模直升機(jī)的數(shù)學(xué)模型，再通過(guò)線性化技術(shù)獲取實(shí)際近似簡(jiǎn)化模型。由于小型無(wú)人直升機(jī)是一個(gè)異常復(fù)雜的系統(tǒng)，通過(guò)線性化技術(shù)獲得的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型必然存在未建模因素（也即建模誤差），在飛行過(guò)程中也存在著參數(shù)的較大變化和各種隨機(jī)擾動(dòng)，這些因素表現(xiàn)在模型中，主要是增大了其內(nèi)環(huán)姿態(tài)控制回路的控制難度，采用經(jīng)典控制方法難以有好的效果，因此，宜采用智能控制方法。具體來(lái)說(shuō)，就是對(duì)于時(shí)變參數(shù)的較大變化和較大的建模誤差、外界擾動(dòng)以及傳感器噪聲，采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能控制方法，以增加系統(tǒng)的魯棒性和自適應(yīng)性，即俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航三個(gè)控制回路采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能控制，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠以任意精度逼近任何連續(xù)函數(shù)的能力和學(xué)習(xí)能力，補(bǔ)償未建模因素，適應(yīng)陣風(fēng)等隨機(jī)干擾，利用模型參考智能控制可適應(yīng)緩慢變化的時(shí)變參數(shù)，從而獲得良好的控制品質(zhì)。

內(nèi)環(huán)為姿態(tài)控制回路，分為滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航三個(gè)通道，三個(gè)通道完全相同，圖2顯示了其中的俯仰通道的控制方塊圖，其中俯仰角的輸入由外環(huán)計(jì)算得到。參考模型根據(jù)飛行品質(zhì)等級(jí)要求，計(jì)算出相應(yīng)的 ，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)偽控制量U和系統(tǒng)輸出自適應(yīng)調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值，進(jìn)行在線學(xué)習(xí)。

3 結(jié)論

由本文探討可見(jiàn)，小型無(wú)人直升機(jī)飛行控制是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，存在著多工況多回路多控制策略這樣一個(gè)突出特征，它除了存在著多傳感器信息融合外，更存在著經(jīng)典控制策略、現(xiàn)代控制策略、智能控制策略等多種控制融合問(wèn)題，為了突出這種多工況多回路控制問(wèn)題的特征，我們稱(chēng)之為多工況多回路融合控制問(wèn)題，并對(duì)其實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了探討。事實(shí)上，某些大型復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)如集成制造系統(tǒng)和某些社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)都具有多工況多回路融合控制的特征，因此，多工況多回路融合控制方法的研究具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

［1］李成智，陳丹. 航空航天技術(shù)［M］.廣東：廣東人民出版社， 2000.

［2］徐麗娜.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003.