氣動參數補償狀態觀測器在無人機控制技術中的應用

馬曉婧，劉向辰

（蘭州石化職業技術大學汽車工程學院，甘肅 蘭州 730060）

1 前言

農林植保四旋翼無人機在我國目前還是起步階段，近5年以來，隨著農業智能化，飛行器民用化的普及以及無人技術的產業化推進，四旋翼無人機在農業和林業領域中的應用已經日漸明顯。

在農林、林業等野外廣闊作業環境中，四旋翼無人機具有飛行盤旋高度低、空中懸停滯留時間長、隨時隨地起飛、隨時隨地降落、無需專用機場、遠程操控，有效降低人工勞作量。且四旋翼下方產生的氣流可以提升農藥霧氣對樹木、植物和農作物噴灑的穿透力和噴灑的面積，具有作物和植物防害、防疫效果好等諸多優點，且相比人工作業，農藥噴灑量保守估計可以降低50%，用水量可以降低85%以上，節約了成本。其次，四旋翼無人機采用電力驅動，不會污染環境，對農林、林業環境較為友好。

雖然農林植保四旋翼無人機在戶外作業時，有諸多優點，但野外環境氣候多變，天氣異常，未知擾動對飛行安全影響較大，若無視外部干擾，將會對無人機的飛行安全和植保工作的正常進行造成較嚴重的干擾。文獻[1]將模糊自適應思想應用于無人機PI控制中，使得植保無人機在可變負載的工況下，依然能夠保證無人機的穩定飛行，保持無人機在植保作業中時刻維持機體與作物之間的最優距離。針對無人機在飛行過程中，機體自身重量、偏轉不穩定的問題，文獻[4]提出基于自抗擾控制器的負載波動控制策略，該方法通過自抗擾控制器將飛行過程中收到的波動干擾反饋至輸入側進行抵消和降低，提高其穩定性。

在研究了以上文獻的基礎上，本文研究了一種氣動參數補償狀態觀測器用于克服四旋翼無人機在野外農林植保工作中可能遇到的未知干擾。首先，建立了在工況環境下四旋翼無人機動力學簡化數學模型，為了提高飛行穩定性，采用姿態環、位置環的雙環控制形式。針對風向變化、氣流擾動等諸多因素的干擾，采用參數補償觀測器對干擾量進行精準觀測和補償，彌補經典狀態觀測器對快速變化、非線性、高階次擾動參數補償性能不穩定的問題。

2 四旋翼無人機簡化動力學數學模型的建立

為了準確建立四旋翼無人機的動力學簡化數學模型，需要建立兩個坐標系，即飛行導航坐標系O1(X1,Y1,Z1)和四旋翼無人機機體坐標系O2(X2,Y2,Z2)。

2.1 無人機飛行受力分析

四旋翼無人機在農林植保飛行過程中受力情況，主要來自以下4個方面：

（1）無人機剛性活動受力；（2）旋轉機翼對無人機受力；（3）上升氣流對無人機的托力；（4）空氣阻力；（5）未知干擾作用力。

根據對以上5中作用力的分析，便可以清晰得出四旋翼無人機的動力學簡化數學模型（圖1）。

2.2 動力學數學模型建立

通過分析圖1，可以得到四旋翼無人機動力學簡化數學模型1如公式（1）所示。

圖1 四旋翼無人機動力學簡化數學模型

四旋翼無人機動力學簡化數學模型2如公式（2）所示。

式中，ω1、ω2、ω3、ω4是無人機4個旋翼的旋轉角速度；Gx、Gy、Gz為四旋翼無人機在機體坐標系O2(X2,Y2,Z2)的轉動慣量；旋轉角度ψ為無人機的飛行方向角度、旋轉角度ξ無人機的飛行翻滾角度、旋轉角度η無人機的飛行水平俯仰角度；參數e為無人機的旋翼水平拉伸力矩系數；參數f為無人機的旋翼水平扭矩系數；參數g為無人機半軸長度。

3 四旋翼無人機控制

本文所采用的無人機控制策略為位置控制和姿態控制所組成的雙環控制，其中位置控制為外環控制，姿態控制為內環控制。

雙閉環控制結構原理，如圖2所示。置控制的輸出為參考給定位置力矩Ta、無人機飛行參考給定翻滾角度aξ、無人機飛行參考給定水平俯仰角度aη；內環姿態控制的輸入為無人機參考給定飛行方向角度aψ；內環姿態控制的輸出為參考給定姿態力矩ta。

圖2 位置環、姿態環無人機雙閉環控制結構原理

4 氣動參數補償狀態觀測器

經典狀態觀測器一般會采用PID參數補償、傳遞函數運算等模塊，使得觀測準確度高、誤差收斂迅速等諸多優點，但經典狀態觀測器的觀測是建立在線性未知擾動的基礎上的，當未知擾動為非線性且變化速率過快時，將嚴重降低觀測器的觀測精準度。

因此，針對風向變化、氣流擾動等諸多非線性、迅速變化因素的干擾，本文將神經網絡運算的思想應用到經典狀態觀測器中，對四旋翼無人機飛行過程中的氣動參數進行精準的觀測和補償。

針對四旋翼無人機二階控制系統，氣動參數補償狀態觀測器傳遞函數可以表示成未知擾動參數；g為結構參數；為簡化模型函數；u為系統輸入。

式中，y和為輸出參數；為狀態變量參數；c為

圖3 氣動參數補償狀態觀測器原理圖

5 四旋翼無人機仿真分析

為了檢驗氣動參數補償狀態觀測器的干擾信號觀測效果，搭建了仿真模型。氣動參數未知干擾觀測仿真波形，如圖4所示。

圖4 氣動參數未知干擾觀測仿真波形

四旋翼無人機參考輸入軌跡Pa= (Xa,Ya,Za)T；外環位

通過比較圖4（a）、（b）可以看出，當四旋翼無人機在0s時刻出現隨機未知氣動干擾時，該干擾信號無論是出現在位置控制外環還是出現在姿態控制內環，均能夠在1.6s時間內趨于穩定，干擾波動也可以快速恢復至0。

由此可以證明，氣動參數補償狀態觀測器可以大幅度降低風向變化、氣流擾動等諸多因素對四旋翼無人機的干擾。

為了驗證四旋翼無人機在風向變化、氣流擾動等諸多因素影響下，機體跟蹤性能，作出經典控制方法和本文所提出的控制方法下偏航角度的跟蹤能力。

在系統隨機加入未知氣動干擾誤差信號，通過比較圖5（a）、（b）可以看出，在經典控制方法下的偏航角度與參考給定誤差較大，且當參考給定信號出現階躍突變時，實際偏航角度調整時間較長；而本文所提出的控制方法，其偏航角度與參考給定角度的誤差和階躍響應后的調整時間均得到了明顯的改善。

圖5 偏航角度跟蹤能力仿真波形

6 結語

本文所提出的氣動參數補償狀態觀測器在無人機控制技術，采用姿態環、位置環的雙環控制形式。針對風向變化、氣流擾動等諸多因素的干擾，采用參數補償觀測器對干擾量進行精準觀測和補償，彌補經典狀態觀測器對快速變化、非線性、高階次擾動參數補償性能不穩定的問題，能夠大幅度提高四旋翼無人機飛行的穩定性和控制的準確性。