旋翼無人機算法綜述

柯堯皓 廣州市真光中學

1 引言

無人機在控制過程中為了提高控制精度和減輕操控者的負擔，往往都會利用飛行控制系統來進行輔助控制。而不同的飛行控制系統算法都各有特點，我們則要根據不同的使用環境、任務需求、平臺性能、經濟狀況來選擇合適的飛行控制系統。目前四旋翼無人飛行器得到廣泛應用，并且相關的研究成果斐然，但是就當前的算法發展現狀而言，依然存在兩個方面的問題亟待解決。

(1)精確的數學建模。四旋翼無人機的飛行控制就是通過其四個旋翼進行控制，這四個旋翼是由4 個獨立的電機控制，這樣就必然會存在一系列的誤差。首先，旋翼可能存在諸如4 個軸的質量分布不均勻、長度不一致以及四個軸與機身平面不完全垂直；其次，飛行中電機高速旋轉時的振動帶來的誤差；此外，外部的氣流變化也對精確建模產生了一定影響。

(2)四旋翼無人機的控制系統屬于輸入量多、輸出量多、非線性、強耦合、欠驅動系統。四旋翼無人機在空間飛行時候一共有6 個自由度，這6 個自由度控制僅僅是依靠旋轉翼的四個電機的轉速。電機的轉速與無人機的位姿控制存在耦合，并且容易受到外部因素的干擾，這些都會加大無人機的飛行控制難度。

對于提到的問題，國內外研究人員有的是對模型進行簡化處理，即對不確定因素的影響給予忽略，以期達到對無人機的飛行控制，這些相關的算法有經典PID、最優LQR；有的是對非線性、魯棒性以及綜合型算法進行相關研究，在對控制系統的抗干擾性能和環境適應能力上深入研究，這類算法有反步法算法、滑模控制算法以及自適應控制等算法。不管采用何種控制方法，無人機的系統建模的出發點都是空間的轉動和平動兩種運動狀態。

2 四旋翼無人機算法

2.1 PID 算法

目前PID 算法在不少學者的研究下發展出多種算法，例如，模糊PID 的多旋翼無人機姿態控制系統、串聯模糊PID 控制的四旋翼無人機控制系統設計等算法，使經典PID 算法的性能得到較大的提升。

模糊PID 控制系統利用模糊控制規則對PID 參數進行修改，構成自適應模糊PID 控制器，即通過模糊控制原理對3 個參數進行調節，以滿足不同偏差以及偏差變化率對PID 參數設定的要求，確保被控制對象的動態和靜態特性。

民用無人機方面，越來越多人學習操控無人機的趨勢下，可以利用模糊PID 算法能有效的解決經典PID 算法中的延時問題這一優點，提高無人機的控制精度和減少操控難度，能讓更好的輔助初學者學習無人機操控。在農用無人機方面，利用這一優點還可以使無人機具有更好的抗風性能和飛行穩定性，使無人機可以在更惡劣的環境下能夠進行操控，并且可以執行農業作業的飛行任務，拓展無人機的使用環境狀況。

串聯模糊PID 控制器是在串級PID 基礎上，同時在內環角速度控制器中加入模糊自整定PID 參數控制器，構成串級模糊PID 參數控制算法。可以使無人機俯仰姿態角的振蕩幅度最小，具有更高的穩定性和魯棒性。

總的來說PID 算法有著原理簡單、成本低的特點，可以用于平常的民用、農用無人機的平臺，飛行控制的硬件計算能力要求低，其控制精度可以滿足日常的攝影、植保等任務。PID 可以使無人機的總體穩定性得到較大的提升和姿態震蕩幅度的減小，這使得無人機的飛行精度得到了進一步的提升。但在抗干擾的方面，受限于搭載PID 算法的計算機的運算和儲存能力，如果有數據發生突變時，由算法的比例部分和微分部分計算出的控制增量可能比較大，如果該值超過了計算機所允許的最大限度，那么超過限度的部分數據將丟失，導致無法進行有效的運算，使飛行控制系統的反應時間變長。不過綜合目前市面上的飛行控制平臺的計算能力和日常的任務來看，這類問題不會對無人機操控造成很大的影響。

2.2 LQR 算法

線性二次型調節器LQR 能夠得到狀態線性反饋的最優控制規律，這樣可以構成閉環最優控制。LQR 最優控制能夠在低廉成本下使得原來的系統性能達到比較好的指標，并且這種方法簡單易實現。

LQR 算法最大的特點是采用二次型函數進行運算，而線性二次型問題的最優解可以寫成統一的解析表達式以及求解的過程可以實現規范化，并且能夠簡單地采用狀態線性反饋控制律構成閉環最優控制系統，能夠兼顧多項性能指標，因而受到重視。

LQR 算法更多是作為一種輔助算法與其它的算法結合，比如說在PID 算法中引入LQR 算法，可以利用LQR 算法反應快和兼顧多指標的特點提升PID 算法的運算速度和效率。經過LQR 算法優化后的PID 算法可以在一定程度上緩解上文提到的因計算機運算能力而導致的演示問題。

LQR 算法雖然不能單獨用在無人機飛控系統上，但里面的運用的二次型函數給我們提供了一個利用LQR 算法對其它算法進行優化的方案。

2.3 滑模控制算法

滑模控制最大的特點是其控制算法會根據當前的無人機狀態發生改變，進而減少無人機的動作延時，讓動作變得更干凈利落，這也使得滑模控制器的精度比其它的算法的精度更高，抗干擾的能力更高。不過由于滑模控制器需要在短時間內針對飛行情況更換控制算法，這導致搭載滑模控制器的飛行控制的計算機的計算量大大提升，也提高了對平臺的要求。

不過根據其特點，可以看出滑模控制器適用于對動作精度要求高、飛行環境惡劣、對操控反應時間高的無人機，比如說時下流行的競速無人機或者是要求在狹窄空間內穿行的戰術軍用無人機和在類似火災現場等環境不確定因素較大的惡劣環境內執行偵察任務的無人機。不過在使用滑模控制器的時候要考慮到因計算量增加所帶來的計算機增重、功耗、散熱等硬件問題。

3 發展前景

目前來看，四旋翼無人機中運用最為廣泛控制算法依然是PID,這種經典的算法可以實現定點懸停和飛行軌跡跟蹤等功能；當下的研究熱點主要聚集在無人機的非線性控制和魯棒性能等；隨著人工智能的快速發展，無人機的人工智能方向也成為另一個關注度較高的方向，該方向基于物聯網技術和人工智能技術，無人機在執行相關飛行任務中實現自主規劃路線以及起飛和降落等；還有就是不少公司提出了用大型四旋翼或多旋翼無人機作為新一代載具構想。這些都說明了無人機有著廣闊的發展前景，無論朝著哪個方向發展,無人機都離不開飛行控制算法的支持。

結束語

無人機作為靈活、低廉、多功能的飛行器，已經被廣泛的應用到軍用以及民用等相關飛行任務中。隨著科技的發展，無人機的發展前景會更加廣闊，飛行的性能以及功能會更加完善，比如當前的人工智能技術的發展將促進無人機向人工智能的領域發展；新技術發展會促進無人機飛行控制算法不斷優化和革新。