盧歡

摘 要：隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，無人飛艇在實(shí)際狀況中，也有著越來越廣泛的應(yīng)用，而對其進(jìn)行有效的跟蹤控制則是保證無人飛艇充分發(fā)揮自身作用的保障。在這種背景下，文章首先概述了無人飛艇跟蹤控制技術(shù)應(yīng)用的基本思路，進(jìn)而分析了無人飛艇跟蹤控制的系統(tǒng)架構(gòu)，最后探討了模糊控制技術(shù)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：無人飛艇；跟蹤控制；基本思路；架構(gòu)；模糊控制

1 無人飛艇跟蹤控制技術(shù)應(yīng)用的基本思路

人類科技文明的進(jìn)步一日千里，智能飛行物的夢想正逐步實(shí)現(xiàn)。有朝一日，我們可能只要輸入目的地，智能飛行物就能運(yùn)送我們經(jīng)由最佳路徑抵達(dá)。如今，隨著無人飛艇在測繪、電力巡線、礦物勘探等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，智能飛行的設(shè)想成功應(yīng)用到無人飛艇后，將使無人飛艇的發(fā)展起到極大的推動作用和技術(shù)革命。要實(shí)現(xiàn)這個夢想，必須結(jié)合各種技術(shù)，包括導(dǎo)航、通訊、機(jī)構(gòu)、控制等，經(jīng)過整合，方能完成自動導(dǎo)引無人飛艇的設(shè)計(jì)。在具體的跟蹤控制技術(shù)而言，應(yīng)從最基本的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)著手，逐次增加馬達(dá)、傳感器、控制器等裝置，從而能夠保障無人飛艇能在避開環(huán)境中障礙物的條件下，實(shí)時(shí)追蹤移動的目標(biāo)。

文章將目標(biāo)追蹤分成兩種狀況處理：一種是無障礙物的環(huán)境，可以用簡單的導(dǎo)引率實(shí)現(xiàn)；另一種是有障礙物存在時(shí)，采用路徑規(guī)劃法設(shè)計(jì)最佳路徑，由于目標(biāo)物隨時(shí)在移動，設(shè)計(jì)的路徑起點(diǎn)、終點(diǎn)也會隨時(shí)改變，因此，必須動態(tài)更新所欲追蹤的路徑，實(shí)時(shí)處理各種突發(fā)的狀況，直到飛艇追到目標(biāo)物。完成實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)追蹤路徑后，可利用GPS 及電子羅盤分別判定飛艇的位置與姿態(tài)。為精確得到飛艇位置，必須采用CDGPS，使得定位精度達(dá)到公分級，其中無線通訊傳輸?shù)脑O(shè)備是不可或缺的。有了飛艇的狀態(tài)，計(jì)算其與預(yù)定路徑的差值后，最后可采用模糊控制理論設(shè)計(jì)輸出信號，進(jìn)而達(dá)成無人飛艇追蹤控制的目的。

2 無人飛艇跟蹤控制的系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 基本構(gòu)成

整個無人飛艇追蹤系統(tǒng)可分為三個部分：主控站、無人飛艇、目標(biāo)物。通過結(jié)合全球定位系統(tǒng)（GPS）、電子羅盤來決定飛艇與目標(biāo)物的位置及飛艇的姿態(tài)，且利用無線串行端口通訊作為各部分間數(shù)據(jù)的傳遞與聯(lián)系。而各部分的工作內(nèi)容如下。

一是主控站，包括：命令飛艇行進(jìn)或強(qiáng)迫停止；接收飛艇所傳回來的資料，包含飛艇、目標(biāo)物目前的位置數(shù)據(jù)，并將位置數(shù)據(jù)顯示于屏幕上；在完成實(shí)驗(yàn)后通過無線串行端口通訊，以手控方式讓飛艇回到起點(diǎn)。二是無人飛艇，包括：設(shè)計(jì)飛艇的最佳行進(jìn)路徑；接收參考點(diǎn)的GPS載波相位觀測量與目標(biāo)物的GPS載波相位觀測量，并配合飛艇本身所接收的載波相位觀測量來完成載波相位三次差分定位（CDGPS）的解算，以求出飛艇和目標(biāo)物的物置；將飛艇的位置及姿態(tài)和參考路徑做比較，再把誤差傳入模糊控制器并算出車輪轉(zhuǎn)向的脈波量，通過馬達(dá)控制卡傳送訊號給馬達(dá)以操作飛艇的運(yùn)動；接收主控站的控制訊號，并把飛艇及目標(biāo)物的位置數(shù)據(jù)傳回主控站。三是目標(biāo)物，包括：以人為的手動方式在平面上任意移動；傳送GPS載波相位觀測量回?zé)o人飛艇上。由以上每個部分的工作內(nèi)容可知，無人飛艇在整個系統(tǒng)中占有極大的部份。飛艇的各種運(yùn)動將由上面的PC，依據(jù)傳感器所接收到的信息，經(jīng)由解算之后來決定。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

飛艇的位置和姿態(tài)由GPS接收機(jī)及電子羅盤儀得知后，再把兩者的資料傳入飛艇上的PC，并和由PC的導(dǎo)航器所設(shè)計(jì)的參考路徑相比較，而參考路徑的設(shè)計(jì)是依據(jù)飛艇和目標(biāo)物的位置來設(shè)計(jì)。飛艇和導(dǎo)航器所設(shè)計(jì)的參考路徑誤差為模糊控制器的輸入變量，經(jīng)過模糊控制器解算出來后的轉(zhuǎn)動控制量，通過馬達(dá)控制卡傳送適當(dāng)?shù)拿}波量給驅(qū)動器，再通過驅(qū)動器來驅(qū)動馬達(dá)轉(zhuǎn)動以完成目標(biāo)物的追蹤控制。

3 模糊控制技術(shù)的應(yīng)用

3.1 模糊化方法

模糊化的方法很多，一般常見的有離散形隸屬函數(shù)、梯形隸屬函數(shù)、鐘形隸屬函數(shù)及三角形屬函數(shù)。例如，高斯函數(shù)與三角函數(shù)可分別表示如下：

高斯函數(shù)型： 三角形：

其中σ為高斯函數(shù)的變量值，其值大小決定高斯函數(shù)的寬度。

文章中采用三角形隸屬函數(shù)將輸入變量模糊化，底下將說明其模糊化方法。為便于說明，將三角形隸屬函數(shù)重新整理，當(dāng)輸入x 為下列不同的數(shù)值時(shí)，其所對應(yīng)的模糊化輸出如下：

（1）當(dāng)輸入x為0時(shí)，其所對應(yīng)的模糊化輸出μx=1為最大；

（2）當(dāng)輸入x為-5 或5時(shí)，其對應(yīng)的模糊化輸出μx=0為最??；

（3）當(dāng)輸入x為-2時(shí)，其對應(yīng)的模糊化輸出為：

？滋x=-2=■（-2）+1=0.6

（4）當(dāng)輸入x為2時(shí)，其對應(yīng)的模糊化輸出為：

？滋x=-2=■（-2）+1=0.6

3.2 模糊規(guī)則

模糊規(guī)則庫通常須具有有下列幾項(xiàng)特性：（1）一個模糊規(guī)則庫有多個模糊推理句。若每一個x均可對應(yīng)一個或一個以上的推理句，使模糊集合均是存在的，則此規(guī)則庫稱為“完全的”。（2）若沒有出現(xiàn)“任何兩個規(guī)則有相同的前命題，而有不同的結(jié)果命題”的情況，則此規(guī)則庫稱為“一致的”。（3）若兩條相鄰規(guī)則的結(jié)果命題有重疊區(qū)域，則此規(guī)則庫稱為“連續(xù)的”。另外，模糊推論引擎又分為整合型推論引擎及個別式推論引擎，其差別在于整合型推論引擎先整合模糊規(guī)則才進(jìn)行輸入與輸出的推論，個別式推論引擎則是先將輸入放進(jìn)每一條規(guī)則推得輸出后，再將所有輸出進(jìn)行并集或交集運(yùn)算以得到最后的輸出。

上述的曼達(dá)尼推論引擎較為簡單，有利于PLC的程序規(guī)劃，因此文章中以曼達(dá)尼法作為推論引擎。曼達(dá)尼推論引擎計(jì)算過程可分概為以下三個步驟：首先針對輸入變量e和Δe分別計(jì)算出各個隸屬函數(shù)的歸屬值，并和所對應(yīng)的隸屬函數(shù)值作AND運(yùn)算，再取其最小值，以求得所對應(yīng)的隸屬函數(shù)值；將所對應(yīng)的隸屬函數(shù)與THEN對應(yīng)的輸出做積分運(yùn)算并取其最小值，即可得到模糊規(guī)則庫中各隸屬函數(shù)的歸屬值；最后將所有的歸屬值做OR運(yùn)算，并取其最大值即可得到推論輸出。

3.3 模糊控制器程序的設(shè)計(jì)流程

模糊控制器程序設(shè)計(jì)流程可分為以下幾個步驟：步驟一：確知位置誤差及位置誤差變化量數(shù)值，并根據(jù)模糊隸屬函數(shù)將位置誤差及位置誤差變化量模糊化。步驟二：根據(jù)輸入與輸出模糊區(qū)間及模糊推論引擎建立模糊規(guī)則庫，系統(tǒng)共建立25條模糊規(guī)則，其中下標(biāo)代表模糊規(guī)則編號。步驟三：計(jì)算影響系統(tǒng)隸屬函數(shù)的適合程度。步驟四：根據(jù)步驟二所規(guī)劃出的模糊規(guī)則庫找出對應(yīng)的輸出量。步驟五：根據(jù)法則將設(shè)備上輸送帶距離量化成數(shù)值并進(jìn)行解模糊化。

文章中采用重心解模糊化法。根據(jù)上述步驟，若輸出量為正的控制信號，則系統(tǒng)會自動增加脈沖數(shù)至PLC，使輸送帶往前移動一個修正量；反之，若輸出量為負(fù)的控制信號，則系統(tǒng)會自動減少脈沖數(shù)至PLC，使輸送帶往后移動一個修正量。

參考文獻(xiàn)

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