甄紅濤，齊曉慧，夏明旗，趙紅瑞

(1.軍械工程學(xué)院光學(xué)與電子工程系，河北石家莊 050003;2.總裝備部駐447廠軍事代表室，內(nèi)蒙古包頭 014033;3.內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司辦公室，內(nèi)蒙古包頭 014033)

引言

四旋翼飛行器是一種能夠垂直起降(VTOL)、自主懸停、非共軸式多旋翼碟形飛行器，目前世界上存在的四旋翼飛行器基本上都屬于微小型無人飛行器，又稱為四旋翼無人直升機(jī)。

雖然早在1907年，Breguet兄弟就第一次實(shí)現(xiàn)了四旋翼直升機(jī)的升空［1］，但此后很長(zhǎng)一段時(shí)間四旋翼無人機(jī)并沒有取得很大的進(jìn)展。近十幾年來，隨著新型材料、微機(jī)電、微慣導(dǎo)及控制技術(shù)的發(fā)展，四旋翼無人機(jī)又引起了人們極大的興趣。目前，自主飛行控制技術(shù)是四旋翼無人直升機(jī)的研究熱點(diǎn)，但大多處于實(shí)驗(yàn)階段，未見有實(shí)際應(yīng)用的自主飛行四旋翼的報(bào)道。應(yīng)用比較成熟的大多是遙控航模四旋翼飛行器，如Draganflyer系列、Xaircraft系列等。

本文在分析四旋翼直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和要求的基礎(chǔ)上，綜述了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有飛行控制方法的應(yīng)用現(xiàn)狀，最后指出了四旋翼飛行控制技術(shù)發(fā)展急需解決的若干問題，并對(duì)四旋翼無人直升機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)做了展望。

1 四旋翼直升機(jī)的結(jié)構(gòu)

四旋翼直升機(jī)的四個(gè)旋翼呈十字交叉結(jié)構(gòu)，四個(gè)旋翼由四個(gè)電機(jī)控制，分別位于十字支架的四個(gè)頂端，如圖1(a)所示為Xaircraft 650飛機(jī)實(shí)物圖。四旋翼直升機(jī)的前端旋翼1和后端旋翼3沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，左端旋翼2和右端旋翼4沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，以平衡旋翼旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的反扭力矩，如圖1(b)所示。通過改變每個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器垂直起降、懸停、俯仰(前后)、滾轉(zhuǎn)(左右)、偏航(旋轉(zhuǎn))等姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制。

與常規(guī)的旋翼式飛行器相比，四旋翼無人直升機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、性能卓越，可應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)旋翼尺寸小，且不需要專門的反扭矩槳，飛行安全性高，特別適合在近地面環(huán)境(如室內(nèi)、隧道等)中執(zhí)行監(jiān)視任務(wù)，可以對(duì)細(xì)小環(huán)節(jié)進(jìn)行偵察;(2)結(jié)構(gòu)緊湊，動(dòng)力裝置效率高，有效載荷大，可作為高清攝像機(jī)等設(shè)備的搭載平臺(tái);(3)結(jié)構(gòu)對(duì)稱，制造和控制簡(jiǎn)單，拆卸方便，易于維護(hù)，成本低，安全性好;(4)四旋翼直升機(jī)的設(shè)計(jì)和研制是集諸多技術(shù)成果于一體的綜合科學(xué)技術(shù)問題，涵蓋了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、動(dòng)力與能源、控制與導(dǎo)航、通信技術(shù)、微機(jī)電技術(shù)和傳感器技術(shù)等專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，因此可以作為一個(gè)優(yōu)秀的交叉學(xué)科科研實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

2 四旋翼直升機(jī)飛行控制特性

四旋翼直升機(jī)是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合、欠驅(qū)動(dòng)、時(shí)變的被控對(duì)象，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)布局和飛行控制特性使其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得較為復(fù)雜，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)建模困難

四旋翼直升機(jī)在飛行過程中，容易受到外部氣流的干擾。另外，由于微小型四旋翼直升機(jī)選用的旋翼尺寸小、質(zhì)量輕、易變形，難以建立其精確的動(dòng)力學(xué)模型。此外，雷諾數(shù)對(duì)微型旋翼的升力特性影響很大，在建立四旋翼數(shù)學(xué)模型時(shí)還要解決低雷諾數(shù)下微型旋翼的空氣動(dòng)力學(xué)問題。建立四旋翼數(shù)學(xué)模型的種種復(fù)雜性，要求所設(shè)計(jì)的四旋翼控制系統(tǒng)必須具有較強(qiáng)的魯棒性和模型弱相關(guān)性。

(2)欠驅(qū)動(dòng)特性

四旋翼直升機(jī)在空間的運(yùn)動(dòng)具有六個(gè)自由度，包括飛行器質(zhì)心平移時(shí)的三個(gè)線自由度和飛行器繞其質(zhì)心旋轉(zhuǎn)時(shí)的三個(gè)角自由度，而其控制輸入量只有四個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速，因此，四旋翼直升機(jī)是一個(gè)典型的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(Under-actuated System)。由于欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是具有非完整約束的本質(zhì)非線性系統(tǒng)，且不能完全反饋線性化，這就使得欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)變得比較復(fù)雜［2］。目前欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究主要集中在結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的機(jī)械系統(tǒng)及移動(dòng)機(jī)器人上，適用于欠驅(qū)動(dòng)四旋翼系統(tǒng)的普遍性成果較少。

(3)強(qiáng)耦合特性

四旋翼直升機(jī)需要用四個(gè)輸入量控制六個(gè)自由度的輸出，因此它的輸出量之間具有高度耦合的特性，任意一個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速的改變將至少影響三個(gè)自由度的改變。例如，增加左旋翼的轉(zhuǎn)速，其他三個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速不變，將使飛行器由于左右旋翼的拉力差向右滾轉(zhuǎn);同時(shí)該拉力差還會(huì)導(dǎo)致飛行器向右平移;此外，由于正轉(zhuǎn)旋翼和反轉(zhuǎn)旋翼所產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)力矩不平衡，還會(huì)導(dǎo)致飛行器向左偏航。另外，四旋翼直升機(jī)的姿態(tài)與位置存在直接耦合關(guān)系，飛行器的滾轉(zhuǎn)和俯仰會(huì)直接引起飛行器的左右和前后平移。由于四旋翼直升機(jī)這種顯著的耦合特性，在進(jìn)行四旋翼全飛行包線的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮各種可能出現(xiàn)的飛行狀態(tài)，保證控制系統(tǒng)具有良好的解耦性和魯棒性。

(4)易受外界干擾

四旋翼無人直升機(jī)在空中飛行時(shí)，會(huì)受到氣流、陣風(fēng)等外界環(huán)境的影響。尤其是微小型四旋翼直升機(jī)尺寸小、重量輕、飛行速度低，更易受外界擾動(dòng)影響。僅僅靠設(shè)計(jì)具有強(qiáng)魯棒性或自適應(yīng)能力的控制系統(tǒng)很難抑制這些擾動(dòng)，需要對(duì)四旋翼的時(shí)變空氣動(dòng)力學(xué)特性和非線性的飛行力學(xué)特性進(jìn)行深入的分析，然后針對(duì)擾動(dòng)設(shè)計(jì)專門的控制方法。另外，由于大多數(shù)四旋翼無人直升機(jī)旋翼都采用柔性材料，質(zhì)量輕，受到陣風(fēng)干擾后的變形對(duì)其升力特性和阻力特性的影響，也是設(shè)計(jì)控制器時(shí)不得不考慮的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題。

3 四旋翼直升機(jī)控制技術(shù)研究現(xiàn)狀

3.1 數(shù)學(xué)建模

為實(shí)現(xiàn)對(duì)微小型四旋翼飛行器的有效控制，必須充分了解飛行器在各種飛行狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)特性，建立精確數(shù)學(xué)模型。然而四旋翼飛行器多變量、強(qiáng)耦合、非線性的動(dòng)力學(xué)特性，使得通過理論分析精確建立四旋翼飛行動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型的問題尚未解決。

關(guān)于四旋翼無人直升機(jī)的數(shù)學(xué)建模主要有兩種方法:理論推導(dǎo)法和試驗(yàn)辨識(shí)法。理論推導(dǎo)法是通過對(duì)飛行器各部分的物理結(jié)構(gòu)和受力分析，經(jīng)過嚴(yán)格的理論計(jì)算得到線性或非線性數(shù)學(xué)模型;試驗(yàn)辨識(shí)法則是基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用系統(tǒng)辨識(shí)理論獲得系統(tǒng)參數(shù)模型。目前主要是通過理論分析四旋翼無人機(jī)動(dòng)力學(xué)特性，簡(jiǎn)化或增加四旋翼的約束條件，建立線性或非線性數(shù)學(xué)模型［3］。

3.2 飛行控制方法

四旋翼直升機(jī)強(qiáng)耦合、非線性、欠驅(qū)動(dòng)、干擾敏感的特性，使得飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得非常困難。此外，控制系統(tǒng)的性能還受到模型準(zhǔn)確性和傳感器精度的影響?？v然四旋翼直升機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)面臨著種種困難，其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域吸引著越來越多的學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)四旋翼直升機(jī)的控制策略進(jìn)行了大量的研究，表1中列出了四旋翼直升機(jī)幾種典型的控制方法及其特點(diǎn)。

經(jīng)典PID控制在單一通道的控制設(shè)計(jì)方面技術(shù)比較成熟，且易于實(shí)現(xiàn)，因此，在四旋翼直升機(jī)的工程實(shí)踐中得到了大量的應(yīng)用。然而，經(jīng)典PID控制參數(shù)整定過程繁瑣、可移植性差、解耦性能和魯棒性差等固有的缺點(diǎn)限制了四旋翼控制性能的提高。隨著現(xiàn)代控制理論和智能控制理論的發(fā)展，一些新技術(shù)與PID控制技術(shù)相結(jié)合的先進(jìn)PID控制也在四旋翼控制中得到了大量的應(yīng)用，如模糊PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制、自適應(yīng)PID控制等。

反步法(Backstepping)又稱為反演法或回退法，被廣泛應(yīng)用于非線性系統(tǒng)和欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制。該方法基于Lyapunov穩(wěn)定性理論，通過反向遞推構(gòu)造Lyapunov函數(shù)，設(shè)計(jì)控制器，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全局漸近穩(wěn)定。該方法主要針對(duì)滿足嚴(yán)格反饋控制結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，在四旋翼的跟蹤控制中應(yīng)用較多。

嵌套飽和(Nested Saturation)控制方法是一種應(yīng)用于嚴(yán)格前饋級(jí)聯(lián)系統(tǒng)中的成熟控制策略，具有計(jì)算量小、魯棒性強(qiáng)和全局漸進(jìn)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。但應(yīng)用該方法之前需將四旋翼動(dòng)力學(xué)模型轉(zhuǎn)換為嚴(yán)格的前饋級(jí)聯(lián)規(guī)范型，針對(duì)四旋翼這種欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不能完全反饋線性化的特點(diǎn)，文獻(xiàn)［11］將動(dòng)力學(xué)模型部分反饋線性化，然后經(jīng)過進(jìn)一步的坐標(biāo)變換，轉(zhuǎn)換為規(guī)范型，設(shè)計(jì)了飽和嵌套控制器。

滑模(Sliding Mode)控制是一種變結(jié)構(gòu)控制，按照一定的邏輯通過改變系統(tǒng)內(nèi)部反饋控制結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)的狀態(tài)在滑模面上滑動(dòng)，并最終達(dá)到平衡點(diǎn)?；？刂破鲗?duì)模型誤差、參數(shù)不確定性和外部干擾具有不敏感性，魯棒性較強(qiáng)。文獻(xiàn)［16］中將四旋翼系統(tǒng)分為全驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)和欠驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)，分別設(shè)計(jì)了滑?？刂破?。文獻(xiàn)［17］中設(shè)計(jì)了滑模觀測(cè)器來估計(jì)由風(fēng)或模型參數(shù)不確定性引起的外部干擾，提高了控制的魯棒性。這些先進(jìn)控制理論的控制性能是無可置疑的，但是目前大多數(shù)先進(jìn)控制理論仍處于實(shí)驗(yàn)室仿真階段，離具體工程實(shí)現(xiàn)還存在較大的距離。另外，經(jīng)典控制和單一的現(xiàn)代控制方法都只是側(cè)重于被控系統(tǒng)的某一特性，針對(duì)四旋翼這種非線性、強(qiáng)耦合、欠驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜系統(tǒng)，單一的控制方法會(huì)限制系統(tǒng)整體性能的提高。因此，多種控制算法相結(jié)合的復(fù)合控制方法近年來得到了廣泛關(guān)注，如南京理工大學(xué)黃溪流設(shè)計(jì)的基于反步法的滑?？刂破?國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)王俊生設(shè)計(jì)的加入跟蹤微分器的自適應(yīng)模糊PI滑?？刂破鳎?7］;加拿大湖首大學(xué)A Tayebi設(shè)計(jì)的基于四元數(shù)的PD2反饋控制［14］。

目前對(duì)于四旋翼無人直升機(jī)飛行控制的研究，大部分是針對(duì)姿態(tài)穩(wěn)定控制。因?yàn)樗男盹w行器的姿態(tài)與位置存在直接耦合關(guān)系，如果能精確控制飛行器姿態(tài)，則其位置與速度控制就會(huì)變得輕而易舉。因此，國(guó)內(nèi)外相關(guān)人員都著重進(jìn)行了姿態(tài)控制器的設(shè)計(jì)，但大都加入了許多約束條件，且大部分處于實(shí)驗(yàn)室仿真階段，實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)的控制效果較好的四旋翼不多。研制既能精確控制飛行器姿態(tài)，又具有較強(qiáng)抗干擾能力的姿態(tài)控制器是四旋翼直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)研究的當(dāng)務(wù)之急。

4 四旋翼飛行控制技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，四旋翼無人直升機(jī)飛行控制技術(shù)也朝著智能化和數(shù)字化的方向發(fā)展，一些新的控制理論在四旋翼控制中得到了應(yīng)用，如容錯(cuò)控制［18］、自抗擾控制(ADRC)［19］等，一些試驗(yàn)系統(tǒng)也完成了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的試飛，如瑞士洛桑聯(lián)邦科技學(xué)院(EPFL)的OS4項(xiàng)目［20］，美國(guó)斯坦福大學(xué)(Stanford)的 STARMAC 工程［21］，國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)的Quad-Rotor實(shí)驗(yàn)平臺(tái)［22］等。但從目前的研究現(xiàn)狀來看，四旋翼無人直升機(jī)的飛行控制技術(shù)還遠(yuǎn)未成熟，大多數(shù)的研究往往只考慮特定環(huán)境下特定飛行模式的控制技術(shù)，離實(shí)現(xiàn)真正的四旋翼無人自主飛行還有一定的差距，還有許多關(guān)鍵技術(shù)亟待解決，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)一體化建模技術(shù)

四旋翼無人直升機(jī)精確數(shù)學(xué)模型的建立是設(shè)計(jì)高性能控制器的基本前提，但由于四旋翼本身復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特性和飛行過程中的多種物理效應(yīng)的影響，目前的研究大都建立了相對(duì)簡(jiǎn)化的模型。欲建立四旋翼精確的數(shù)學(xué)模型，低雷諾數(shù)條件下的空氣動(dòng)力學(xué)問題、柔性旋翼氣動(dòng)性能參數(shù)的測(cè)量技術(shù)和模型的測(cè)量和驗(yàn)證方法等問題還需進(jìn)一步解決。

另外，在飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，大多數(shù)都不考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的模型，但對(duì)于四旋翼直升機(jī)來說，其發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)與旋翼的動(dòng)態(tài)性能緊密相關(guān)，而旋翼的動(dòng)態(tài)性能又與機(jī)體的受力情況及機(jī)體姿態(tài)緊密相關(guān)，因此，如何進(jìn)一步發(fā)展新的試驗(yàn)方法獲得四旋翼機(jī)體與發(fā)動(dòng)機(jī)的一體化模型是四旋翼建模技術(shù)需解決的關(guān)鍵問題［23］。

(2)自主控制技術(shù)

高度自主控制和高度智能化是四旋翼發(fā)展的主要方向。要使四旋翼直升機(jī)在各種環(huán)境中都能充分發(fā)揮優(yōu)良性能，就要實(shí)現(xiàn)自主飛行。先進(jìn)的控制方法是實(shí)現(xiàn)四旋翼自主飛行的重要前提，在控制理論的基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用方面，如何將傳統(tǒng)控制設(shè)計(jì)方法積累的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于先進(jìn)控制方法的設(shè)計(jì)中，如何將實(shí)際物理意義與理論指標(biāo)建立聯(lián)系，如何有效驗(yàn)證控制器性能的好壞和工程實(shí)現(xiàn)，已成為四旋翼自主控制技術(shù)發(fā)展中最現(xiàn)實(shí)的問題。

未來高度智能化的四旋翼無人機(jī)，除了實(shí)現(xiàn)自主飛行，還需具有自主決策能力。要能夠自主完成航跡的規(guī)劃，通過在線感知實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，并能夠按一定原則在飛行中自主完成預(yù)定任務(wù)，還需要一定的在不確定性前提下處理復(fù)雜問題的自主決策能力。人工智能是提高四旋翼智能化水平的重要手段，仿生感知及其控制研究也為飛行器的智能化提供了一個(gè)新的途徑，如多旋翼編隊(duì)飛行控制技術(shù)［24］。

(3)整體設(shè)計(jì)技術(shù)

為了充分發(fā)揮四旋翼直升機(jī)機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，微小型化將是四旋翼無人機(jī)的一個(gè)主要發(fā)展方向。進(jìn)行微小型四旋翼飛行器總體設(shè)計(jì)時(shí)，需要遵循以下原則:重量輕、尺寸小、速度快、能耗低。要綜合考慮這些因素，確保實(shí)現(xiàn)整體設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文討論的微小型四旋翼無人直升機(jī)作為一個(gè)高性能、低成本的作戰(zhàn)平臺(tái)，必將在未來的軍事和民用領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。經(jīng)過近十幾年的快速發(fā)展，四旋翼遙控航模飛行器的商業(yè)化應(yīng)用和四旋翼無人直升機(jī)的自主飛行控制研究取得了一些成果，但目前還處于發(fā)展階段，尤其是要實(shí)現(xiàn)四旋翼的自主飛行還有很長(zhǎng)一段路要走。有理由相信，通過研究人員堅(jiān)持不懈的努力，不僅能解決四旋翼自身的問題，必將還會(huì)推動(dòng)所涉及領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展。

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