柳傳武，張奇

(馬鞍山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽馬鞍山243031)

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無人機(jī)路徑規(guī)劃的控制算法

柳傳武，張奇

(馬鞍山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽馬鞍山243031)

摘要：傳統(tǒng)的無人機(jī)連續(xù)路徑算法，因計(jì)算飛行路徑需要一定的時(shí)間而延遲響應(yīng)，很難實(shí)時(shí)控制。采用貝塞爾曲線來計(jì)算飛行路徑，過程會(huì)簡化很多，但要產(chǎn)生預(yù)期的飛行路徑仍然很難實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)將數(shù)值控制系統(tǒng)的直線和圓弧插補(bǔ)技術(shù)用于飛機(jī)轉(zhuǎn)彎路徑控制算法，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)響應(yīng)，精確控制飛行路徑，再結(jié)合無人機(jī)飛行高度、速度和迎角，設(shè)計(jì)了一種實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎路徑控制算法。研究結(jié)果表明該算法簡單，路徑控制準(zhǔn)確，并通過飛行測試驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；規(guī)劃路徑;控制算法;迎角

人們希望無人機(jī)能夠運(yùn)用在大面積海洋資源和陸地資源的經(jīng)濟(jì)調(diào)查中。常見遙控航模飛機(jī)能夠覆蓋的區(qū)域很小，并且不實(shí)用。傳統(tǒng)路徑規(guī)劃算法不能生成滿足無人機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)約束的可飛行路徑[1]，如果計(jì)算機(jī)控制被采納，利用GPS定位技術(shù)，其覆蓋范圍和飛行精度將大大提高。該算法考慮了無人機(jī)在起點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的方向以及無人機(jī)轉(zhuǎn)彎半徑的約束[2]，不僅能夠有效控制觀察區(qū)域，而且能很好利用資源，在災(zāi)難救援方面發(fā)揮了積極作用。

1基于遙控飛機(jī)的飛行路徑控制和動(dòng)態(tài)模型結(jié)構(gòu)

遙控飛機(jī)動(dòng)力模型控制框圖如圖1所示。

圖1　遙控飛機(jī)動(dòng)力模型控制框圖

圖中上部是垂直飛行控制框圖，下部是水平過程的控制圖。對(duì)于普通的遙控飛機(jī)，水平和垂直控制之間的相互作用很小，幾乎可以不考慮。

對(duì)于飛行高度參數(shù)h的控制，是通過對(duì)升降機(jī)和推進(jìn)器旋轉(zhuǎn)速度的迎角控制來實(shí)現(xiàn)。推進(jìn)器轉(zhuǎn)矩T通過飛機(jī)飛行速度V和電機(jī)M的轉(zhuǎn)速來控制。拉力D和升力L正比于飛行速度V2，因此當(dāng)飛行速度增加1倍，則拉力和升力需增大4倍。當(dāng)飛機(jī)飛行時(shí)，迎角θ通過CD、CL的功能作用于拉力D和升力L。為了保證平穩(wěn)飛行，迎角θ要在合適的范圍內(nèi)進(jìn)行有效控制，通過2次線性控制。預(yù)期的迎角在臨界區(qū)域內(nèi)被有效控制，因此迎角θ和升力L的比例系數(shù)是可控的。CL受迎角的臨界角影響很大，因此，迎角θ的臨界角度增加，CL、升力L也會(huì)隨之增加。如果迎角的臨界角被超過，θ的增加會(huì)導(dǎo)致CL和升力L的減小。尤其是，當(dāng)θ是比迎角臨界角大的數(shù)值，CL將會(huì)急劇下降，甚至變?yōu)樨?fù)數(shù)，飛機(jī)將會(huì)停機(jī)或停止飛行，CD是迎角θ的二次函數(shù)。

在迎角被設(shè)置，飛行速度由控制器調(diào)整好之后，飛機(jī)飛行高度也就確定了，飛行速度大小是由拉力D的大小實(shí)現(xiàn)控制的。因此，在高度一定，機(jī)身水平，穩(wěn)定的速度飛行，這樣就實(shí)現(xiàn)了水平飛行控制。隨著迎角θ角度增加，飛行速度V加快，升力L和飛行高度也通過PID的控制增加，反之亦然。飛機(jī)高度h和飛機(jī)的迎角θ值可以通過局部負(fù)反饋CZD、CPD的控制來確保符合預(yù)期，實(shí)現(xiàn)飛行穩(wěn)定和減少飛行高度的差錯(cuò)。

航向偏差角Ψ是通過副翼的控制改變的，飛機(jī)繞x軸的傾斜角是通過操縱副翼改變的。假設(shè)變異角是φ，翻滾飛行的角速度是dψ/dt=(gtanφ/V)。繞y軸飛行的飛機(jī)是固定的，側(cè)滑角飛行特性通過控制方向舵改變,從而實(shí)現(xiàn)方向的穩(wěn)定性,橫側(cè)在飛機(jī)轉(zhuǎn)彎的過程中也會(huì)得到控制。

2無人機(jī)的飛行軌跡控制算法

無人機(jī)雖然不斷在2個(gè)點(diǎn)之間飛行，但是如采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)飛行軌跡控制算法，一定半徑的回轉(zhuǎn)無法維持，飛行路徑不能確定，回轉(zhuǎn)半徑太大，這不利于定向?qū)Ш絒3]。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)路徑算法和規(guī)劃算法飛行路徑對(duì)比如圖 2所示。

(a)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)算法飛行路徑

(b)規(guī)劃算法飛行路徑圖2　無人機(jī)在2點(diǎn)之間采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)路徑算法和規(guī)劃算法飛行路徑對(duì)比圖

如果采用控制算法，計(jì)算連續(xù)飛行路徑需要大量的時(shí)間，很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制無人機(jī)的飛行軌跡。如果貝塞爾曲線被用來計(jì)算規(guī)劃路徑，雖然計(jì)算簡單，但是很難產(chǎn)生符合期望的目標(biāo)路徑[4]。

直線和圓弧插補(bǔ)是數(shù)字控制系統(tǒng)中常見的用于飛機(jī)專項(xiàng)軌跡控制的算法，其結(jié)果是該計(jì)算時(shí)間短和飛行路徑準(zhǔn)確。該算法的步驟如下說明。

①預(yù)期的飛行軌跡采用圓形和線性來定義；

②每一步規(guī)劃點(diǎn)的坐標(biāo)采用數(shù)控插補(bǔ)計(jì)算；

③飛機(jī)實(shí)時(shí)位置由GPS測量傳感器來定位；

④假設(shè)理想預(yù)期點(diǎn)和實(shí)時(shí)飛行點(diǎn)之間的誤差為d，規(guī)劃進(jìn)給方向每步距離ψD。根據(jù)式(1)，飛機(jī)轉(zhuǎn)彎的每一步航向偏差角的預(yù)期值都計(jì)算好。

ψDR=ψD-Kdd

(1)

直線和圓弧路徑、航向偏差角如圖3。

(a)直線路徑的航向偏差角

(b) 圓弧路徑的航向偏差角圖3　直線和圓弧路徑的航向偏差角

⑤實(shí)際航向偏差角度ψ是通過GPS測量陀螺儀測量，所需的斜率角度Dφ是與誤差信號(hào)成比例εψ=ψDR-ψ。

上述關(guān)于規(guī)劃路徑算法的仿真是根據(jù)圖1的控制模型實(shí)現(xiàn)的。研究結(jié)果表明該算法簡單，路徑控制精確。仿真結(jié)果如圖2(b)所示。

在實(shí)際的飛機(jī)滑翔機(jī)結(jié)構(gòu)中，其質(zhì)量小于2.5kg，有效負(fù)載是500g。機(jī)載計(jì)算機(jī)通信與控制框圖如圖4所示。圖中，發(fā)送和接收裝置用于地面監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)無人飛機(jī)控制和通信。

圖4　機(jī)載計(jì)算機(jī)通信與控制框圖

在規(guī)劃點(diǎn)坐標(biāo)的經(jīng)度、緯度、海拔高度等位置信息被預(yù)先儲(chǔ)存到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)后，當(dāng)前飛機(jī)的位置通過儀器測量[5]。當(dāng)前位置與所需點(diǎn)進(jìn)行比較，然后通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)糾正偏差。該伺服電機(jī)的動(dòng)作是由脈沖調(diào)制控制接口來完成規(guī)定的高度和飛行速度[6-7]。所以，無人機(jī)按設(shè)計(jì)飛行軌跡飛行。

3試驗(yàn)結(jié)果

首先，通過無線電遙控將該無人機(jī)發(fā)送到120 m高空上。隨后，根據(jù)計(jì)算機(jī)的控制指令，無人機(jī)飛行速度為50 km/h，而飛行高度接近預(yù)期120 m。設(shè)置速度在45 km/h，飛機(jī)出現(xiàn)定期波動(dòng)，且有一定的高度誤差。圖5是所測量的飛行通過安裝在無人機(jī)的前部相機(jī)，觀察地面上的景觀，并通過發(fā)送裝置將其發(fā)送回地面站。無人機(jī)拍攝圖像視野范圍廣闊，拍攝圖像清晰，飛行軌跡明確。

圖5　無人機(jī)飛行速度、高度和迎角實(shí)驗(yàn)測量波形圖

4結(jié)語

仿真測試驗(yàn)證了本算法的有效性和無人機(jī)路徑規(guī)劃的合理性，緊湊的小規(guī)模計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)無人機(jī)已被開發(fā)。目前它的全部控制算法和動(dòng)力學(xué)模型還沒有完全向用戶開放，僅在理論上對(duì)飛行軌跡算法和動(dòng)力學(xué)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。通過飛行實(shí)驗(yàn)可以看出，機(jī)載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠利用GPS測量位置信息，通過無人機(jī)規(guī)劃路徑算法實(shí)現(xiàn)對(duì)高度、速度、平衡信息有效控制，從而能夠執(zhí)行觀察地面上的情況的任務(wù)。

[參考文獻(xiàn)]

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責(zé)任編輯：陳亮速度、高度和迎角的實(shí)驗(yàn)波形圖。

A Control Algorithm for UAV Path Planning

LIU Chuanwu,ZHANG Qi

(Maanshan Technical College，Maanshan 243031)

Abstract：Real time control is almost impossible for traditional unmanned aircraft continuous path algorithm due to the deferred response because of the time spent on flight path calculation.Using the Bessel curve to calculate flight path can simplify the process,but it is still very difficult to generate the desired flight path.In this paper,the linear and circular interpolation technology of numerical control system is applied to control the turning path of aircraft,which can achieve real time response to system and accurate control of the flight path,thus a turning path control algorithm is designed by relating to UAV flight altitude,speed and angle of attack.The results show that the algorithm is simple with accurate path control,and its rationality is verified through flight test.

Key words：unmaned aerial vehicle;path planning;control algorithm;angle of attack

中圖分類號(hào)：V279；TP301.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671- 0436(2016)01- 0012- 03

作者簡介：柳傳武 (1974—)，男，碩士，講師。

基金項(xiàng)目：安徽省教育廳高等學(xué)校省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目(2014gxk104)；安徽省高校省級(jí)優(yōu)秀青年人才基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2013SQRL145ZD)。

收稿日期：2015-12-16

doi:10.3969/j.issn.1671-0436.2016.01.003