關于四旋翼無人機的控制方法研究

張浩峰

(北京161中學,北京 100031)

1 緒論

無人機最初起源于20世紀初,在當時主要應用于戰爭,是各國軍事發展的重中之重,可以滿足不同的戰略需要。如今無人機可分為固定翼飛機、旋翼飛機(包括直升機、多旋翼飛機、自旋翼飛機)、傾轉旋翼機、傘翼機、鷂式飛機等。

隨著時代發展,多旋翼已經漸漸替代了固定翼,其中四旋翼無人機的性能尤為出色,表現在結構緊湊、簡單、輕便、四只旋翼可以相互抵消反扭力矩使其性能卓越、易于操作等特點,甚至隨之技術的增長,飛機的自由度也增加至更多,更加自由。

控制作為無人機的核心,飛機的控制技術也在不斷發展,二戰時期美國研制出的電氣式自動駕駛儀可實現飛機的三軸姿態穩定,直到二戰后美國才實現飛機從起飛到著落的全過程自動化,在完成飛機最基本的能力之后,才漸漸將注意力轉移飛機的性能及品質,從最初機械人力操縱,到助力飛行操縱,到人感系統操縱,到如今的電傳動操縱,都在不斷提高飛機的穩定性,抗干擾性,有效性。

但隨著技術的純熟和時代的需要,四旋翼無人機的應用非常廣泛,不僅用于軍事,也可以派送快件,提高物流效率;在工業領域進行測繪;在農業方面提供高效的噴灑農藥服務;在通訊方面搭建通訊平臺;在庫存管理方面利用RF ID技術進行倉庫盤點,隨著無人機市場的壯大,許多想法都可以實現,逐漸融入平常生活中。

但四旋翼無人機同樣有著不可避免的缺點,如控制算法復雜,抗干擾性差等。因此,四旋翼無人機有著非常大的發展、提升的空間。可從以下方面進行深入研究：

1.1 優化設計

在智能避障方面,通過激光、紅外線、超聲波等視覺導航技術進行避障處理。加入地形跟蹤回避等綜合子系統,利用能源管理、三維導航等技術自動生成和執行飛行計劃及軌跡指令,減輕飛行員或者操縱人員的工作負荷。

在飛行編隊方面,對無人機的航跡進行規劃,進一步提高無人機間協同作戰能力,完善通訊鏈路等。

1.2 動力與能源

因為電動無人機的續航原因,限制了它的應用范圍,為此,在民用領域,氫燃料電池已投入使用,另一方面,石墨烯也成為最近研發出的新材料,由于出色的特性,更能增加能量密度和耐熱性,而且使用壽命是鋰電池的兩倍,使其有望替代鋰電池。

1.3 數學模型的精確建立

一般的無人機都是非線性模型,在近似線性化的時候會使模型不準確,而一般仿真的時候都是系統辨識,所以,這就導致實際飛行參數與仿真的參數有偏差。

1.4 飛行控制

早期飛機功能簡單,通過人工操縱即可實現控制,但是隨著任務的復雜性,資源有限性,需要實現飛機的自主操作,所以控制算法也隨之與時俱進,所以許多問題應運而生。諸如,四旋翼無人機由于姿態角在變化時存在耦合現象,要進行解耦處理;無人機的路徑規劃,完成高精度的控制,并且能根據環境或者指令的突然變化做出調整等。

1.5 導航和通訊

一方面,一般無人機在飛行時,需要實時傳遞信息更新信息,需要無人機和地面站之間的信息通訊,所以導航算法的結算速度,信息的更新速度,都影響著無人機的飛行精度,甚至飛行器的安全;另一方面,近地面環境,有樹木房屋遮掩,G PS不能正常工作,無人機需要及時處理,對位置姿態進行預判等。

以上幾點都是制約著無人機的發展因素,同時也是無人機發展的關鍵。

2 關于飛機的控制結構

根據控制原理,控制系統主要由控制器、執行器、控制對象、測量裝置(傳感器)構成的。以四旋翼無人機為例,其中控制器主要由芯片組成,執行器為電機,被控對象為旋翼的轉速和方向,測量裝置包括陀螺儀、加速度計、磁力計、高度計、GPS等,主要控制系統為閉環控制,即反饋控制系統。此外,四旋翼無人機還需要一個通訊模塊,其主要是用無線鏈路進行實現的,以及一個電源模塊,用來保持系統的正常通電。

飛機在自主飛行時,都需要通過各個環節進行控制,一般都需要決策層(通過傳感器得到的信息做出感應、反應)、外環控制器(控制高度、位置信息)、內環控制器(控制速度穩定)。

3 四旋翼無人機的控制系統

四旋翼無人機采用的控制算法整體來說,分為基于模型的線性和非線性控制,如P I D控制、L Q R控制、自適應控制、滑模控制等,以及基于學習的控制方法(無需了解動力學模型)。如神經網絡控制、模糊控制等。

3.1 飛機的飛行原理及控制思想

關于飛機的運動控制設計,需要以下四個步驟：

(1)進行數學建模。對于飛機進行一個受力分析,把飛機分布的壓力可以看作作用于飛機質心的合力和合力矩。合力包括阻力、升力和側力,力矩包括俯仰力矩、偏航力矩和滾轉力矩。研究控制系統的目的是為了保證飛機的穩定性。其中,焦點的位置決定了飛機的靜穩定性,因此在設計飛機時,盡量把質心放在焦點之前來保持飛機的俯仰靜穩定性。與此同時,還需要保證飛機的滾轉穩定性以及航向靜穩定性(也稱為風標穩定性),主要消除側滑角的方向偏轉,使其能回到原來的航線。

列寫動力學和靜力學方程,包括其線運動和角運動。合外力為零時,可保持定常平飛運動。

(2)進行線性化處理,便于設計控制。

(3)建立控制框圖。

(4)加入與其系統模型相適應的控制律,使其達到更好的控制效果。

3.2 針對四旋翼無人機的PID控制方法

P I D控制是四旋翼無人機實際工程中應用最廣泛的控制方法。PID有三個控制環節：比例環節主要調節系統的響應速度和穩態誤差;積分環節主要為了消除穩態誤差;微分環節主要為了縮短調節時間。加入P I D的目的是用于飛機的姿態回路控制,使飛機按指令進行飛行,結合高度控制即可實現四旋翼飛行棋的自主懸停。

通過查找相應的文獻,使用P I D控制方法使四旋翼無人機能夠按照給定的姿態回路的角度進行跟蹤和控制,但是姿態角的響應速度較慢。由于高度與俯仰、滾轉相互影響,所以當俯仰和滾轉的角度較大時,高度會存在一個較大的穩態誤差,而在平衡位置時,對高度通道影響就較小。所以,運用P ID控制算法,就不需要很復雜的過程,易于操作和理解,魯棒性強,實踐性強,具體參數都需要根據實物進行調試,但是控制效果一般。所以盡管PID控制方法使用最廣泛,但其他的智能控制方法也在逐漸替代它。

4 結語

由于四旋翼無人機存在的一些缺點,我們需要通過控制使其具備穩定飛行、自動飛行、根據指令反饋信息等功能。

傳統的控制方法主要集中在姿態和高度控制,但由于四旋翼無人機的結構復雜程度與日俱增和應用范圍越來越廣,未來應將研究擴展到來控制速度、位置、航向、3 D軌跡跟蹤等方面。

[1] 韓雨桐.四旋翼無人機飛行控制方法研究[D].東北大學,2014.

[2] 郭曉鴻.微型四旋翼無人機控制系統設計與實現[D].南京航空航天大學,2012.

[3] 殷強.四旋翼無人機自主控制系統研究[D].天津大學,2012.

[4] 張明廉.飛行控制系統[M].航空工業出版社,1994：55-80.