無人機的魯棒控制方法研究

杜燕軍

(中國人民解放軍96626部隊，北京 10010)

從應用科技角度分析，無人機是多種高科技理論應用的集成體，采用了無線電遙控設備和自動程序控制裝置，在無人操控條件下自動完成指令任務。魯棒控制法是無人機研制的新型科技，其結合魯棒控制理論對無人機實施自主調控，保證了無人駕駛飛機的穩定運行。本次分析了無人機的魯棒控制方法，對實際控制操作提出了相關建議。

一 魯棒控制的概述

1.魯棒性

工業科技發展使得人們更加依賴于自動控制技術的應用，實際作業條件下也出現了不同的異常狀態，進而影響到了自動控制性能的發揮。“魯棒性”是在異常狀況下提出的控制概念，主要是指某一設備能否在故障狀態下維持正常的運作功能，這便是控制系統的魯棒性，如圖1。舉一實例，計算機控制系統是自動控制技術應用的典范，軟硬件設施受到外界環境干擾時易發生程序錯誤、指令失控、裝置過載等問題。若此時軟硬件系統執行自動化處理模塊，維持了計算機設備的正常運轉，實際操作功能未受到任何影響，這便是計算機魯棒性的表現。

圖1 魯棒性

2.魯棒控制

自動控制技術是現代科技創新的先進成果，自動控制系統借助各種功能性裝置而實現了多元化控制模式，用自動控制器取代了人工操作模式，顯著提升了機械、電氣等設備的可調度性。基于魯棒性特點下，科技研究領域提出了魯棒控制方法，這種系統是對原始自動控制模式的優化改進。魯棒控制是指針對工業自動化控制實施的改造方案，采用了數字化運算模型為支撐平臺，對控制模型的不確定性給予調控，從而實現了自動控制功能的升級。魯棒控制是基于魯棒性理論的一種新方法，通過設置高性能的控制器為輔助，按照被控制對象的操作要求調控。并且當控制系統的功能、結構、外形等參數發生異常變化時，依舊能維持設備或元件應有的功能狀態，此種方法則是“魯棒控制”。

二 無人機魯棒控制的特點

隨著科學技術的快速發展，我國對于無人機研究的進程不斷加快，并且在現有技術條件下研發了更多的配套設施，保障了無人機裝置功能的有效的發揮。相比于傳統飛機駕駛模式，采用魯棒控制方法之后，無人機的應用功能進一步提升。

1.自動性。自動控制系統是無人機最基本的應用特點，配備了無線電遙控裝置、自動控制程序等核心結構，對飛機駕駛操作實施自動化調度。魯棒控制理論指導下，無人機研制的控制系統更加先進，不僅滿足了自動控制操作的要求，也能對遙控器進行更全面的改造。

2.安全性。從實際應用情況看，無人機常用于執行危險性的任務，特別是在軍事偵察、勘測等方面的應用更多。相比于載人飛機，無人機的安全系數更高，執行任務時不會造成人員方面的傷亡。無線通信是無人機的主要技術合成，GPS技術融入新型無人機研制方案中，擴大了飛機的通信傳輸面域，方便了遙控信號的定位傳輸。

3.高效性。近年來，無人機的魯棒控制技術日趨成熟，顯著降低了無人機的故障率，維護了飛機內外部裝置的持久應用，這些都為無人機循環利用提供了有利的條件，提升了資源的實用性。例如，魯棒控制方法應用無線電遙控，可對無人機實施跟蹤、定位、遙控、監測等多方面的安全控制。

三 Matlab下無人機的建模與仿真

對無人機的魯棒性進行模擬仿真，需要借助先進的模擬軟件才能實現，這是保證模擬結果準確性的前提。Matlab是一款比較實用的商業數學軟件，用其作為無人機模擬控制器，可以加快對無人機性能的綜合調度，客觀地反映出無人機工作狀態。此數學軟件能夠對無人機魯棒性實施自動化運算，結合所得數據判斷出無人機所處的功能狀況，這涉及到了算法優化、數據分析、語言交換等應用。本次Matlab下無人機仿真建模的技術應用。

1.C MEX S－Function下的模擬

C MEX S－Function是計算機C語言下編制成的S函數，每一種函數都有不同的使用功能。從功能角度劃分，主要涉及到七大結構，第一部分是宏觀定義區，Matlab模擬仿真中涉及到的頭文件、源文件等，都是此技術定義的范圍。其余6個結構，則交由S－Function函數執行，模擬流程如圖2。

2.Simulink下的模擬

結合無人機控制模擬，其主要包括氣動數據解算、狀態/運動方程解算等。前者有發動機推力、阻力系數、側力系數、升力系數等，后者主要分為計算無人機狀態、計算無人機運動方程等模塊。設定Simulink模型庫，能夠掌握各個模塊的使用功能，并且結合Matlab軟件加快數據的自動化處理。操作使用中可按照建模情況，對系統擴展能力及時地調整，確保無人機在相對穩定的狀態下運行。

圖2 C語言編程下的S函數

3.基于Matlab的模擬

參照12維的狀態及運動方程，結合無人機模型的結算流程，便可以正式執行無人機模擬動態。本次基于Matlab的Simulink模擬中，實現過程與解算流程:氣動數據解算模塊按照飛控部分輸出的舵機狀態，對參數與信息流程實施控制，借助氣動數據的差值算法對力矩系數進行計算。對于模擬計算所得的結果，交由無線網絡傳輸機傳感器實施對點傳遞，為無人機控制提供了指導。

四 基于Matlab仿真的魯棒控制

自動控制是無人機研制的主要科技之一，控制系統按照無人機內裝置結構及控制單元進行編排，擬定了與無人機相配套的自動化控制平臺，維持了飛機原有的功能特性。魯棒控制理論應用于無人機操控指導，顯著提升了機載裝置控制的效率，加快了新型戰機應用模式的改革速度。本次結合無人機作業的具體情況，對魯棒控制方法的應用進行闡述，具體如下:

1.無線傳輸。無線圖像傳輸作為一個特殊使用方式也逐漸應用于無人機控制，這是魯棒控制方法的常見形式。無人機本質上是一種遠程遙控式的不載人飛機，通過無線網絡傳輸以執行控制指令。無線傳輸網的魯棒性相對穩定，不會因為無線網絡變動而失去了原有的控制性能。無線傳輸網具有安裝方便、靈活性強、性價比高等特性，使得更多行業的監控系統采用無線傳輸方式，建立被監控點和監控中心之間的連接。

2.遠程協助。遙控人員在異地通過計算機網絡異地撥號或雙方都接入Internet等手段，聯通需被控制的計算機對無人機性能進行維護，遇到突發情況可以保證飛機及其裝置的穩定性。魯棒控制法中將被控無人機的工作狀態顯示到主控計算機之上，通過本地計算機對遠方計算機進行配置、軟件安裝程序、修改等工作。遠程協助控制時通過局域網絡實現遠程開機，加快了無人機在故障狀態下的恢復進程。

圖3 遠程控制

3.故障診斷。應用魯棒控制方法對無人機進行檢測，不僅提高了地面對空中飛行軌跡的控制引導，也實現了無人機監控操作的高效性。以飛行速度監控為例，系統故障診斷是對系統運行狀態和異常情況作出判斷，并根據診斷作出判斷為系統故障恢復提供依據。要對魯棒控制系統進行故障診斷，首先必須對其進行檢測，在發生系統故障時，對故障類型、故障部位及原因進行診斷，最終給出解決方案，實現故障恢復。

4.智能控制。隨著無人機使用范圍的擴大化，對魯棒控制系統研究的層次更加深入。軍事工程不僅要靈活地應用魯棒控制方法，還要對其中存在的控制問題及時防范，提高無人機裝置的可調度性能。自動控制器是借助魯棒控制理論研制而成的，智能操作是一類無需人的干預就能夠自主地驅動機器實現其目標的自動控制，也是用計算機模擬人類智能的一個重要領域。

五 結論

無人機在我國軍事工程中得到了普及應用，其能夠按照人工操作要求執行各種危險性的任務，并且完全受控于地面指揮中心。無人機采用了無線電遙控設備和自動控制程序，實現了超遠程的人機控制一體化。魯棒控制是無人機自動控制技術的必備形式，其能夠在自動控制故障狀態下，使機載裝置維持原有的功能，降低了無人機事故的發生率，是現代無人機研制的重要控制技術。

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