系留式多旋翼無人機飛行控制系統研究

對系留式多旋翼無人機的飛行控制系統組成原理、飛行特性、飛控算法三個方面進行了闡釋和研究，考慮了系留纜作為不確定因素對于飛行控制的干擾，通過非線性魯棒控制器引入擴張狀態觀測器進行抑制，從理論上進行了推導論證。

系留式多旋翼無人機憑借續航時間長、信息傳輸容量大、使用靈活等特點，正逐漸成為多旋翼無人機的研究使用熱點，從民用到軍用都得到了大力發展。其飛行控制系統是整個無人機的控制、管理和計算中心。由于使用場景不同及定點懸停、系留供電等特點，其控制技術與自由飛式多旋翼無人機既有相同點，也有不同點。

多旋翼無人機飛行控制系統組成及原理

1.系統組成

多旋翼無人機飛行控制系統主要由飛行控制計算機、導航計算機、傳感器等組成。飛行控制計算機主要完成飛行控制率解算、飛行任務管理、飛行狀態監視、機載任務設備管理、機載測控單元通信等功能。導航計算機主要用于計算飛行姿態信息、傳感器信息融合、導航信息計算、航路規劃和優化等任務。傳感器主要包括陀螺、加速度計、三軸磁力計、壓力傳感器、溫度傳感器、DGPS/BD接收機等，系統組成如圖1所示：

2.工作原理

系統操作人員通過操作地面控制站軟件，生成控制指令，傳送給地面數傳電臺，經由鏈路傳輸到機載雙路電臺，進而送入飛行控制器當中;同時，安裝在無人機特定位置的傳感器組將信息分別送入飛行控制器。飛行控制器根據這些信息進行計算，并將生成的控制信號送給無人機，從而改變無人機的姿態、速度和位置，達到控制無人機的目的。飛行控制器將采集到的偵察圖像和機體姿態、位置等傳感器信息進行整理并按照系統的通信約定送給機載雙路電臺，經過鏈路送達地面控制站進行解析并實時顯示。

飛行控制系統完成的主要功能是與無人機系統和測量設備一起構成姿態角和飛行高度的穩定回路。可以按飛行控制與導航計算機給定的俯仰角和偏航角飛行，隨著飛行高度和伴隨飛行速度的變化自動改變飛行控制參數。接收并執行遙控指令，改變飛行狀態，執行不同的飛行任務，采集飛行狀態參數及任務設備參數，并將各種參數編碼后發送至機載測控單元。與機載任務設備通信，控制和管理任務設備，完成無人機的應急保護功能，包括應急歸航等功能，控制機載電子系統的檢測。

多旋翼無人機飛行特性

多旋翼無人機是一種欠驅動、強耦合、非線性系統，以經典的四旋翼無人機為例，其飛行時受力分析如圖2所示。

采用歐拉角法建立機體坐標系與地理坐標系，機體坐標系ox軸在地理坐標系OXZ平面的投影與OX軸的夾角為俯仰角θ，設Fdrag為阻力，T為前飛拉力，V為最大前飛速度。穩定懸停時，各電機轉速相同，臨近電機旋轉方向相反。為了實現水平方向上的前后、左右運動，需要改變各電機的升力配比。例如增加電機1轉速，降低電機3轉速，其它兩個電機轉速不變。則按俯仰運動原理，由于電機升力變化，飛行器要繞Y軸產生一定角度的變化，使得升力在水平方向上產生分力，實現飛行器在水平方向向前運動，反之向后運動。

飛行控制算法設計

系留式多旋翼無人機與自由飛式多旋翼無人機最大的區別在于線纜對于無人機系統的限制。在飛行狀態下線纜的不確定因素導致難以對其進行建模分析與仿真計算，同時線纜的非定常因素也會造成控制系統難以較好地抵抗其帶來的干擾。若無法精確模擬線纜產生的影響，則H∞回路成形魯棒控制算法沒有一個較好的數學模型作為設計基礎，使得控制系統對其非定常干擾僅能依靠算法本身的魯棒特性來抑制，一旦擾動超出其可以承受的范圍，系統便會出現不穩定、甚至不可控的狀況。若采用不依賴精確數學模型的自抗擾控制或是非線性魯棒控制，雖然控制算法對被控對象的動力學及運動學行為不要求較為精確的理解，但依然存在擾動超出控制系統可以承受范圍的可能性，這對控制算法調參提出了較高要求。

為此，在控制算法設計上引入基于積分環節的擴張狀態觀測器，用于觀測因電纜導致的系統不確定性，同時通過積分的辦法進行不確定性補償，以此抑制因電纜的存在而產生的不確定性干擾。

非線性魯棒控制器通過引入擴張狀態觀測器的辦法，極大的提高了控制系統對自身不確定性以及外部干擾的抑制能力，在系留線纜對飛行器造成干擾，以及因輸能電纜的存在導致整個系統存在非定常不確定性時，非線性魯棒控制器可以依靠自身較強的抗干擾能力抑制住控制系統的不確定擾動。

結束語

本文通過從硬件組成到算法分析，對系留式多旋翼無人機飛行控制技術進行了概要分析，在理論上給出了一種克服系留纜對無人機飛行干擾的抑制辦法。

（參考文獻：略。如有需要，請聯系編輯部。）