四旋翼無人機(jī)飛行控制算法綜述

徐校竹，李博威，鄒沛萱

（1.鞍山市第八中學(xué)，遼寧鞍山，114031；2. 北京交通大學(xué)附屬中學(xué)，北京，100081)

1 四旋翼無人機(jī)簡介

無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle UAV）是通過遠(yuǎn)程控制或機(jī)載程序控制的不載人類飛行員的無人駕駛飛機(jī)。與載人飛機(jī)相比，其最大的優(yōu)勢在于成本低廉、能夠完成不適合人類接觸的危險任務(wù)等方面。現(xiàn)階段的無人機(jī)主要被應(yīng)用于軍、民兩個方面，其中民用領(lǐng)域諸如航拍、搶險救災(zāi)等用途占據(jù)了無人機(jī)市場的半壁江山，這些廣大需求也進(jìn)一步促進(jìn)了無人機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展[1]。

無人機(jī)按照飛行平臺不同無人機(jī)可以分為：固定翼無人機(jī)、無人直升機(jī)、無人飛艇、無人旋翼機(jī)等。其中，四旋翼無人機(jī)依靠其體型偏小、折疊性好、起降方便、可懸停、操控簡單、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)從眾多無人機(jī)中脫穎而出成為當(dāng)前應(yīng)用領(lǐng)域的主力軍，圖1為Xaircraft-650四旋翼無人機(jī)實(shí)物圖。

圖1 四旋翼無人機(jī)的實(shí)物圖

圖2展示了四旋翼無人機(jī)良好的對稱結(jié)構(gòu)，其機(jī)體呈“十”字交叉狀，四個旋翼剛性固連在“十”字的四個端點(diǎn)上。它的這種結(jié)構(gòu)能夠通過對稱旋翼產(chǎn)生的方向相反的反扭矩來避免機(jī)體自轉(zhuǎn)，從而使分析簡單、控制簡便。

圖2 旋翼無人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)

通常，上圖中的四個旋翼的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)樾?、3順時針轉(zhuǎn)動，旋翼2、4逆時針轉(zhuǎn)動，四個旋翼的不同轉(zhuǎn)速情況可以令無人機(jī)做出俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)、垂直升降等基本動作，具體旋翼速度的控制方法如表1所示[2]。然而，這樣的結(jié)構(gòu)也令四旋翼無人機(jī)呈現(xiàn)出了欠驅(qū)動、耦合性強(qiáng)、非線性等復(fù)雜特性，其飛行控制也因此存在建模困難、通道耦合、對干擾敏感等難點(diǎn)。

表1四旋翼無人機(jī)的控制方法

2 常用飛行控制算法

雖然無人機(jī)飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)遇到了重重困難，但其具有的特殊優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)越性能使得越來越多的人投入到了相關(guān)研究中。無人機(jī)的控制策略是研究的熱點(diǎn)之一，其中最常用的控制算法有以下幾種。

2.1 PID控制方法

PID（Proportion-Integral-Derivative）控制方法是目前工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最多的控制方法，它具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠、不依賴模型等諸多優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)及參數(shù)信息不能明確了解時，PID算法仍然能發(fā)揮它的強(qiáng)大性能，得到良好的控制效果[3]。

經(jīng)典PID算法的原理圖如圖3所示。

圖3 PID控制算法原理圖

其控制律如公式（1）所示，控制器的輸出為控制量 ()ut ：

2.2 Back-stepping控制方法

反步法（Back-stepping）也叫做反演法或回推法，最早在1991年由Kokotovic等提出。它的設(shè)計(jì)思想是將整個系統(tǒng)劃分為若干子系統(tǒng)，同時保證子系統(tǒng)數(shù)量不超過系統(tǒng)階數(shù)。對每個子系統(tǒng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的虛擬控制量，最后從后向前一直“回推”到整個系統(tǒng)，完成整個控制律的設(shè)計(jì)。虛擬控制量會在一次次的會推中不斷得到整定，并非一成不變，推回到整個系統(tǒng)后就能得到真正需要的鎮(zhèn)定控制器[4]。

2.3 自抗擾控制技術(shù)

圖4 二階自抗擾控制器結(jié)構(gòu)圖

自抗擾控制技術(shù)（Active Disturbance Rejection Control ADRC）是韓京清教授于1998年提出的一種控制技術(shù)。它由非線性PID演化而來，在PID優(yōu)勢的基礎(chǔ)上融合了現(xiàn)代控制理論的長處。ADRC保留了PID“基于誤差消除誤差”的策略，增加了過渡過程以及狀態(tài)觀測模塊。它無需依賴被控對象精確模型，具有簡單易行，精度高且計(jì)算速度快，自適應(yīng)能力強(qiáng)、抗擾動特性及魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)典自抗擾控制器由跟蹤微分器（Tracking Differentiator TD）、狀態(tài)觀測器（Extended State Observer ESO）、非線性誤差反饋控制律（Nonlinear State Error Feedback NLSEF）三個部分組成，典型的二階自抗擾控制器[5]如圖4所示。

3 四旋翼飛控技術(shù)發(fā)展趨勢

四旋翼無人機(jī)的飛控技術(shù)發(fā)展到當(dāng)前階段還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到成熟的地步，現(xiàn)在主要有以下幾個問題亟待解決：

（1）建立精確的模型

當(dāng)前的四旋翼無人機(jī)模型都是基于若干假設(shè)下的簡化模型，忽略了機(jī)體內(nèi)部的不確定因素以及外部環(huán)境中如空氣阻力等因素的影響。想要達(dá)到更好的控制效果，精確的無人機(jī)機(jī)理模型是非常重要的前提條件。

(2)自主飛行控制技術(shù)

現(xiàn)階段比較成熟的四旋翼無人機(jī)大都是通過無線遙控設(shè)備手動控制的，然而，高度自主控制以及智能化是四旋翼發(fā)展的必然趨勢。先進(jìn)的控制算法是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主飛行的重要前提。如何在實(shí)際飛行中真正實(shí)現(xiàn)這些算法的自適應(yīng)調(diào)整，如何實(shí)現(xiàn)參數(shù)在線自整定等問題都是亟待解決的。

（3）自主決策問題

當(dāng)給無人機(jī)設(shè)定一個目標(biāo)地及具體任務(wù)時，能否實(shí)現(xiàn)航跡的自主規(guī)劃以及飛行途中躲避異物忽然入侵等也是無人機(jī)實(shí)現(xiàn)自主控制以及智能化的一個重要研究方向。

4 結(jié)束語

四旋翼無人機(jī)作為一個靈活穩(wěn)定、成本低廉的小型無人駕駛設(shè)備必將成為日后軍用民用的最主流工具。本文主要介紹了四旋翼無人機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)、控制策略等基本知識以及幾種當(dāng)前領(lǐng)域內(nèi)常見的飛行控制算法。在閱讀文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)了一些最具代表性的前人工作，在分析其優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上對四旋翼無人機(jī)飛控技術(shù)的發(fā)展做了進(jìn)一步的展望。隨著研究的深入以及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，相信無人機(jī)會愈發(fā)成熟，最終實(shí)現(xiàn)高度的自主控制以及智能化。