基于自抗擾技術的無人機自主避障研究

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(1.南方電網科學研究院有限責任公司, 廣州 510080; 2.天津航天中為數據系統科技有限公司, 天津 300450)

基于自抗擾技術的無人機自主避障研究

張貴峰1，陳曉1,崔彥召2,劉勝南2

(1.南方電網科學研究院有限責任公司,廣州510080; 2.天津航天中為數據系統科技有限公司,天津300450)

隨著無人機民用化的持續加速, 其應用場景越來越復雜, 自主避障技術成為拓寬應用領域的技術瓶頸； 自主避障技術的突破, 無疑成為無人機更大規模應用必要條件； 自抗擾控制器技術, 是發揚PID控制技術的精髓并吸取現代控制理論思想歸納探索而來； 自抗擾控制器具有的不依賴被控對象精確模型、算法簡單、參數易于調節的特點, 使其適合作為無人機自主避障的控制算法來應用； 針對無人機避障中位置給定階躍信號幅值較大且幅值不定的情況, 傳統PID控制器快速性不能很好滿足要求且需要重復調節參數, 而自抗擾控制器則具有更好的魯棒性； 為了更好的實現無人機自主避障, 設計了基于自抗擾控制器的外環位置控制器, 對基于自抗擾的無人機自主避障系統進行仿真和實驗研究, 并與傳統雙環PID控制器進行對比分析, 結果證明外環控制器采用自抗擾控制器的無人機自主避障系統的可行性。

無人機; 自主避障; 自抗擾控制器

0 引言

最近幾年以來, 隨著機器人科學技術的進步與發展, 無人機應用領域和范圍越來越廣泛, 如航拍、勘察、安檢、快遞等。 尤其是消費級民用無人機呈現出井噴式發展，且發展速度呈逐年遞增趨勢。 消費級和工業級無人機應用的場景越來越復雜, 無人機飛行場景中各種建筑物、樹木和電線等障礙物越來越多，自主避障技術都成為限制拓寬應用領域的技術瓶頸。 自主避障技術的突破, 無疑成為無人機更大規模應用的必要條件。

所謂無人機“自主避障”, 就是無人機在正常執行任務飛行過程當中, 能過智能識別、自主規劃航線，最終達到躲避障礙物的目的，進而保證無人機安全飛行。 自主避障技術主要分為雷達系統技術、超聲波技術、TOF技術和視覺圖像復合型技術。 超聲波測距是模仿蝙蝠發出和接收超聲波原理, 對超聲波進行收發, 根據超聲波在空氣介質中傳播時間和速度計算出距離信息。 超聲波技術具有成本低, 應用方便等優點, 目前很多無人機的避障技術都基于此項技術。 麻省理工計算機科學和人工智能實驗室對避障技術進行了探索, 他們通過兩塊手機芯片進行實時圖像處理, 尋找出可以飛行的自由空間, 可以說是非常主動的一種方法。

為了滿足無人機在當今日趨復雜飛行場景下的避障需求, 必須設計性能優良的避障控制系統, 來保證無人機穩定可靠的躲避障礙物。 多旋翼無人機具有體積小、重量輕、起降場所隨意和操作簡單的優點，所以其應用領域相當廣泛。本文研究多旋翼無人機的避障, 多旋翼無人機空氣動力學更加復雜且由于其工作環境千變萬化, 給避障控制器的設計帶來較大困難。 自抗擾控制器(auto/Active disturbances rejection controller, ADRC)技術, 是在充分理解傳統PID控制的基礎上，吸收PID控制算法的精髓，并結合了現代控制理論先進思想和成就， 通過總結歸納計算機仿真的實驗結果，提取其中的規律而研究出來。 與傳統PID算法相同，自抗擾控制器不需要設計者對被控對象精確建模, 對被控對象的參數和結構具有很強的魯棒性, 對內外部干擾具有較好的抑制能力, 算法簡單易于實現, 特別適于應用在避障控制中[1-4]。

1 避障控制器設計

1.1 四旋翼無人機數學模型

為了更好的設計自抗擾控制器，首先給出機體坐標系中四旋翼無人機的運動方程[5]：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

其中:u,v,w為機體坐標系下無人機速度;φ,θ,ψ為機體坐標系下無人機的橫滾、俯仰和方位角;p,q,r為機體坐標系下無人機角速率;x,y,z為地理坐標系下無人機的位置坐標;m為無人機的質量;g為當地重力加速度;Fx,Fy,Fz為空氣動力在機體坐標系3個軸的分量;Qx,Qy,Qz為外合力矩在機體坐標系3個坐標軸的分量;Ix,Iy,Iz為軸向轉動慣量;R為機體坐標系到地理坐標系的旋轉矩陣[5]。

根據對以上模型的分析可知, 歐拉角φ,θ,ψ和角速率p,q,r處在同一個時間范疇內，可以看作控制內環，用來控制無人機姿態角運動動態特性; 位置量x,y,z與速度量u,v,w同樣處于同一個時間范疇內，可以看作控制外環，用來控制無人機導航線運動動態特性。 因此，由以上分析可知，多旋翼無人機各狀態變量分別屬于兩個時間范疇內。 具體到我們的控制器設計上，針對我們的無人機, 采用分層控制的思想來設計飛行控制系統的控制器，內外環結構見圖1所示。 其中內環用控制歐拉角φ,θ,ψ和角速率p,q,r的動態特性; 外環控制飛行器的位置x,y,z[6]。

由于避障控制器對位置控制準確性要求很高，而對位置控制快速性要求不是很高, 而多旋翼無人機位置容易受到來自內部和外部的干擾, 如陣風干擾等。 內環對歐拉角φ,θ,ψ和角速率p,q,r的控制首先要解決的對于控制給定信號跟蹤的快速性。因此避障控制器的設計要兼顧外環位置環的準確性和內環姿態環的快速性, 內環控制選用經典PID控制, 外環位置控制采用自抗擾控制。

1.2 自抗擾控制器設計

由于超聲波傳感器應用在避障系統中是檢測多旋翼距離障礙物的距離信息, 當距離值小于設定閾值時無人機進入避障模式，飛行控制器執行相應避障策略躲避障礙物。自抗擾控制器對被控對象的參數和結構具有很強魯棒性，同時對來自內不和外部的干擾有較好的抑制作用。自抗擾控制器算法簡單，計算量不大在單片機中就能實現，在小型無人機嵌入式系統級板卡上容易實現且方便移植。 因此本文設計自抗擾控制器作為控制環的控制器對多旋翼無人機位置環進行跟蹤控制。 自抗擾控制器由跟蹤微分器(tracking differentiator, TD)、擴張狀態觀測器(extended state observer, ESO)和非線性狀態誤差反饋控制律(nonlinear state error feedback, NLSEF)3部分組成。 擴張狀態觀測器是自抗擾控制器的核心， 擴張狀態觀測器的任務是直接根據輸入和輸出數據估計多旋翼的內部狀態和來自系統內部的和外部的擾動。非線性反饋控制律實現對由擴張狀態觀測器估計而來的擾動加以補償，而不依賴被控對象的數學模型[1]。

對自抗擾控制器工作原理做簡單描述。當位置給定信號與被控對象的位置輸出信號差值較大時, 為了加快位置信號的跟蹤效果, 勢必要加大控制增益, 這樣會產生較大的超調, 必然造成很大的初始沖擊, 因此需要設計一個合適的過渡過程, 來降低初始誤差[5]。 自抗擾控制器中的跟蹤微分器對無人機位置信號提取和求導; 擴張狀態觀測器將無人機系統的內部和外部擾動看作系統總擾動, 而不依賴速度測量與控制, 對系統內部不確定擾動和外部擾動進行實時估計并補償; 然后非線性狀態誤差反饋控制律將跟蹤微分器和擴張狀態觀測器進行非線性組合, 輸出控制信號給內環速度和姿態控制環，作為速度和姿態控制環的給定信號。 本文所用的完整的自抗擾控制器公式[7]如下：

(6)

式中,h為采樣時間;x1,x2為跟蹤微分器的狀態變量;β1、β2、β3為狀態誤差反饋增益;z1跟蹤四旋翼模型輸出量x;z2用于估計四旋翼位置的變化量r;z3用于估計內部擾動和外部擾動, 并給予相應的補償;u是自抗擾控制器的輸出。 式中需要調節的參數為β1、β2、β3和α1、α2、α3。上式中飽和函數的作用為抑制信號抖振, 表示為：

(7)

式中,δ為fal函數的線性區間寬度。 在此將冪函數|e|αsign(e)改造成為在原點附近具有連續線性段的冪次函數, 用來有效地避免高頻振蕩現象的發生, 即為飽和函數fal(e,α,δ)。

離散系統的最速控制綜合函數記做fst(x1,x2,r,h),其算法公式如下：

(8)

在實現內環PID控制器的基礎上, 設計飛行器的位置環控制器，無人機的位置信號通常由GPS給出，由經度、緯度、高度三維信號表征, 由于對3個量的控制采用的控制器相似，所以在這里以位置信號x為例給出控制器結構圖如圖1所示。

圖1 自抗擾控制器框圖

2 避障策略設計

2.1 避障系統搭建

本文研究四旋翼的自主避障，采用的距離傳感器為超聲波傳感器。由于無人機在正常飛行執行任務的時候，沿機頭方向飛行的概率大、時間長，所以采用一個安裝在機頭位置朝向機頭方向的超聲波模塊更加合理。超聲波傳感器模塊利用蝙蝠發出和接收超聲波原理測距，其容易受到槳葉等機身機械結構影響，所以對于超聲波模塊的安裝位置由一定要求。本文避障系統中超聲波傳感器模塊安裝在機頭方向，遠離槳葉，以免受到干擾。無人機避障系統結構示意圖如圖2所示。

圖2 避障系統結構示意

如圖2所示，超聲波安裝于無人機機頭方向，通過碳桿支出，遠離槳葉，且保證碳桿平行于機頭方向，超聲波探頭垂直于碳桿。

2.2 避障策略實現

本文采用主動的避障策略，超聲波傳感器探測到前方障礙物距離飛機當前位置小于一定閾值時，則無人機向后退，直到距離大于閾值位置停止后退等待下一步指令。則認為當前位置機頭后方的空間為“安全飛行區間”。避障策略執行流程圖如下圖3所示。

圖3 避障策略流程圖

當超聲波傳感器檢測到前方有障礙物且小于距離閾值Lmin時，無人機沿當前前進方向后退到大于距離閾值停下等待下一步指令。接下來記錄當前無人機經度、緯度、高度、距離和航向角信息，這些信息用于標記障礙物前方障礙物和后方安全區域信息并且更新障礙物信息和安全區域信息庫。這樣循環執行以上避障邏輯，通過多次執行，反復更新障礙物信息和安全區域信息庫，建立當前飛行環境下的環境信息庫，最終達到躲避障礙物在安全區域飛行的目的。

3 仿真與實驗結果分析

3.1 MATLAB/Simulink仿真結果分析

為了驗證本文提出的應用于無人機自主避障中的自抗擾控制器自主避障系統的有效性，, 搭建了基于MATLAB/Simulink的仿真驗證平臺，對控制參數進行反復調整之后, 最終得到一組性能最優的參數列于表1所示。

表1 Simulink參數整定值

仿真操作步驟為：首先給定位置x為2，然后給定位置x到5，通過自抗擾控制器把位置x鎮定到5。此過程模仿實際應用中，無人機檢測到前方有障礙物，且距離值小于距離閾值，無人機退出到距離閾值之外的過程。為了有一個更加直觀的效果對比，進行外環采用自抗擾控制器和采用PID控制器對比仿真實驗，得到的位置對比仿真結果如圖4所示。 圖中, 實線代表自抗擾控制的結果,點線代表利用PID控制所得到的結果。

圖4 位置環自抗擾和PID控制器對比曲線

通過圖4分析可知, 當飛行器系統出現大的機動動作時, 系統能通過擴張狀態觀測器很快地跟蹤擾動, 并進行實時補償, 響應時間短, 超調較小, 具有較好的穩定性和動態性能。 當位置環使用PID控制器時, 響應時間較長, 而且每次較大變化時, 都需要重新調整姿態和位置的PID參數。 可見, 位置環采用自抗擾控制算法較PID算法有較強的抗干擾能力, 避免了多次調參。

3.2 實驗結果分析

為了進一步驗證算法的實用性, 搭建了旋翼無人機實驗平臺如圖5所示。 在自行研制的無人機實驗平臺上進行實驗驗證, 并對實驗結果進行分析。 實驗平臺采用成本低結構簡單的超聲波進行測距, 安裝位置為機頭方向用碳桿支出, 如上圖中的左側支出部分。 避障策略采用探測到障礙物后尋找并進入可自由飛行區域的主動避障方式。 實驗的位置信息通過GPS輸出的經緯度表示出來, 實驗曲線如圖6和圖7所示。

圖5 四旋翼無人機實驗驗證平臺

圖6 經度試驗曲線

圖7 緯度實驗曲線

在圖6和圖7中, 橫坐標表示時間, 縱坐標分別表示經度和緯度。 從圖中可以看到, 模式切換到AUTO之前是通過遙控控制無人機接近障礙物, 無人機檢測到障礙物自主避障, 此時遙控器打桿無反應。 最終如圖所示的經緯度曲線保持固定值不變, 表示避障成功, 找到并退回到可以自由飛行區域, 等待下一步操作。 可見, 自抗擾控制器作為自主避障位置環的控制器, 能夠使位置跟蹤快速穩定, 完全能達到要求。

4 總結

本文基于小型四旋翼飛行器非線性耦合模型, 設計了自抗擾位置控制器, 并以x軸通道為例, 驗證了自抗擾控制器在位置控制環的有效性。 通過仿真表明, 所設計的自抗擾位置控制器具有較快的響應速度、強魯棒性、高穩定性以及抗干擾性。 并在實際的飛行器中進行了驗證, 結果顯示, 當超聲波檢測到障礙物, 四旋翼進行主動避障的過程中, 自抗擾位置控制器能使系統達到良好的動態特性和穩態性能。

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[7] 韓京清. 自抗擾控制技術[M]. 北京： 國防工業出版社, 2008.

ResearchonAutonomousObstacleAvoidanceofUAVBasedonADRC

Zhang Guifeng1, Chen Xiao1, Cui Yanzhao2, Liu Shengnan2

(1.China South Power Grid International Co.,Ltd., Guangzhou 510080, China; 2.Tianjin Zhong Wei Aerospace Data System Technology Ltd, Tianjin 300450, China)

Along with the acceleration of the UAV(unmanned aerial vehicle) for civil use, the spectacle for UAV is more and more complex, autonomous obstacle avoidance technology becomes the bottleneck for broaden use field. The break-through of autonomous obstacle avoidance technology becomes the prerequisite of cosmically use of the UAV. ADRC(Auto/active disturbances rejection controller) technology derives from the marrow of PID controller and the conclusion of modern control theory. The characteristics which the ADRC has, no dependence on the accurate model of the controlled object, the algorithm is simple and the parameters are easy to adjust, makes it suitable for UAV autonomous obstacle avoidance control algorithm. Aiming at the position given by the UAV obstacle avoidance is order jump signal, and the amplitude is large and uncertain, the traditional PID controller can not meet the requirements of rapid. The parameters of traditional PID controller need repeat modulated. The ADRC has better robustness. In order to better realize UAV autonomous obstacle avoidance, the position controller based on ADRC is designed. Doing simulation and experimental research on autonomous obstacle avoidance system of UAV based on ADRC. Compared with traditional double PID loop controller, the results demonstrate the feasibility of the autonomous obstacle avoidance system of UAV based on ADRC.

unmanned aerial vehicle; autonomous obstacle avoidance; auto/active disturbances rejection controller.

2017-02-07；

2017-04-12。

張貴峰(1986-)，男，碩士研究生，主要從事電網直升機/無人機應用方面研究。

1671-4598(2017)09-0216-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.056

V249

A