陳鵬云 張鵬飛 趙興成 常建龍 原梅妮 沈 鵬

1.中北大學(xué)，山西太原 030051 2. 國家深?；毓芾碇行模綎|青島 266327

作為一種新型智能化無人設(shè)備，UAV在軍事、民用和科學(xué)研究領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著技術(shù)的進步和UAV飛行任務(wù)的多樣化，人們對UAV精確制導(dǎo)和控制的要求不斷提高，如何實現(xiàn)準確、高效的控制成為UAV技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-3]。

UAV的運動為空間六自由度運動，具有很強的非線性，各自由度之間相互耦合，極易受環(huán)境干擾，以及難以獲得精確的運動模型等特點，因此較難實現(xiàn)精確的運動控制[4]。目前，PID控制[5]、模糊控制[6]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[7]及魯棒控制[8]等多種控制算法已被應(yīng)用于UAV的運動控制研究中。對于UAV這種容易受外界干擾的被控對象，PID控制需要不斷改變控制器參數(shù)以適應(yīng)飛行條件的要求，因此難以達到理想的控制效果；模糊控制不需要精確的數(shù)學(xué)模型，魯棒性較強，但其需要不斷切換輸出比例因子，容易引起算法震蕩甚至收斂困難；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制擁有很強的非線性擬合能力，魯棒性強，但控制算法復(fù)雜，控制過程中容易丟失信息；魯棒控制性能較高，但其需要對UAV建模，飛機設(shè)置若有較大變動需要重新建模。

一般來說，控制模型越簡單，控制精度越高，越能滿足UAV這一特殊載體的需求[9]。與UAV類似，水下機器人的運動也具有強非線性和高度耦合性等特點，因此理論上二者的控制算法要解決的關(guān)鍵問題一致。針對水下機器人的運動控制問題，劉學(xué)敏[10]等提出的S面控制器，具有結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)少、易調(diào)整及應(yīng)用方便等特點，成功應(yīng)用于多型水下機器人的運動控制，取得了良好效果。本文將S面控制器引入UAV的運動控制中，結(jié)合專家控制思想[11]，提出一種適用于UAV運動控制的專家S面控制方法，試驗表明該方法具有較好的控制精度和動態(tài)性能。

1 S面控制器

從模糊控制出發(fā)，將模糊控制規(guī)則表進行非線性擬合得到Sigmoid 曲面(圖1)，并用其代替模糊規(guī)則庫，可得到S面控制器如下：

(1)

圖1 Sigmoid曲面

從以上分析可知，S面控制器實質(zhì)上是一種非線性的PD控制器，非常適用于UAV這種難以獲得準確模型載體的非線性運動控制問題，PD控制的實質(zhì)可有效保證UAV的運動控制效果。但是單純的S面控制器不具備自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力。李曄[12]和呂翀[13]分別給出了基于免疫遺傳算法和粒子群優(yōu)化算法的參數(shù)離線優(yōu)化方法，但由于該類型方法采用離線學(xué)習(xí)模式，其結(jié)果只能提供參考。唐旭東[14]等提出一種基于神經(jīng)元優(yōu)化的自適應(yīng)S面控制器，實現(xiàn)了控制參數(shù)的在線優(yōu)化，但該方法受外界環(huán)境影響比較大，容易引起學(xué)習(xí)效果的不穩(wěn)定，導(dǎo)致控制結(jié)果發(fā)散。李岳明[15]參考滑模控制思想，提出一種變結(jié)構(gòu)S面控制器，但該方法在某些特性情況下容易引起輸出結(jié)果的抖動。本文引入專家控制技術(shù)，將人工參數(shù)調(diào)整經(jīng)驗寫成專家控制優(yōu)化算法形式，以實現(xiàn)S面控制器參數(shù)的在線自適應(yīng)調(diào)整，提高系統(tǒng)的控制精度和自適應(yīng)能力。

2 專家S面控制器設(shè)計

2.1 專家控制器

專家系統(tǒng)是一個具有大量專門知識和經(jīng)驗的程序系統(tǒng)，是一種基于知識的、專家的計算機程序。它應(yīng)用人工專家技術(shù)，根據(jù)該領(lǐng)域內(nèi)專家提供的經(jīng)驗知識進行推理和判斷，模擬人類專家做決策的過程解決問題。將專家系統(tǒng)原理與控制算法相融合，可得到專家控制系統(tǒng)。專家控制系統(tǒng)把抽象的知識模型轉(zhuǎn)化成具體的數(shù)學(xué)模型，是一種具有獲得反饋信息并能實現(xiàn)在線實時控制的系統(tǒng)?？紤]到控制性能指標、可靠性和實時性的要求，通常將專家控制系統(tǒng)簡化得到專家控制器。專家控制器主要包括知識庫、控制規(guī)則、推理機、信息獲取和處理等4個部分。專家控制器的結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 專家控制器結(jié)構(gòu)

2.2 專家S面控制器

S面控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)易調(diào)整、無需對被控對象進行建模和系統(tǒng)魯棒性好等優(yōu)點；但S面控制器沒有考慮控制參數(shù)隨系統(tǒng)被控制量變化的自適應(yīng)調(diào)整的情況，其控制參數(shù)需要隨著UAV運動狀態(tài)以及環(huán)境干擾的變化人工調(diào)整。專家控制器可根據(jù)該領(lǐng)域內(nèi)已有的經(jīng)驗知識，對復(fù)雜問題進行有效的推理和判斷。因此本文將專家控制思想引入傳統(tǒng)的S面控制器中，設(shè)計了專家S面控制器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 專家S面控制器結(jié)構(gòu)

由圖可以看出，專家S面控制器由2部分組成：基本控制級(S面控制器)和專家智能協(xié)調(diào)級。專家協(xié)調(diào)級由初始化設(shè)置、知識庫和推理機等部分組成。初始化設(shè)置包括設(shè)置UAV的控制目標狀態(tài)、狀態(tài)變化閾值和初始控制參數(shù)等；知識庫是根據(jù)大量人工參數(shù)調(diào)整經(jīng)驗所制定出的專家控制規(guī)則集合；根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，通過專家推理機對S面控制器的參數(shù)k1和k2在線調(diào)整，使得系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性能達到最優(yōu)。一般來說控制規(guī)則較少，推理搜索空間有限，因此可以對控制規(guī)則進行逐條匹配的模式進行推理。

2.3 參數(shù)調(diào)整規(guī)則

大量人工參數(shù)調(diào)整經(jīng)驗表明：在S面控制器中，隨著k1和k2取值增大，控制器的靈敏度隨之增加，但也將產(chǎn)生較強的超調(diào)和振蕩；但若k1和k2取值過小，雖然超調(diào)和振蕩減弱，但控制器反應(yīng)遲鈍。在調(diào)節(jié)S面控制器參數(shù)時，一般選取k1和k2的初始值為3.0。若超調(diào)太大，可逐步減小k1，同時增大k2；若收斂速度過慢，則應(yīng)逐步增大k1，同時減小k2?；谌斯ふ{(diào)整經(jīng)驗，設(shè)計參數(shù)調(diào)整規(guī)則如下：

表1 參數(shù)調(diào)整規(guī)則

(2)

k1(0)，k1(0)可根據(jù)控制系統(tǒng)特性和經(jīng)驗選取和設(shè)置，一般取k1(0)=k2(0)=3.0。

3 UAV運動控制系統(tǒng)

本文設(shè)計的運動控制系統(tǒng)的硬件采用的是SBS-PC/104-PMI2 (PC/104)嵌入式計算機，其具有高性能、低功耗、存儲空間大、外圍接口豐富、可方便與外部設(shè)備和傳感器連接等優(yōu)點，與傳統(tǒng)的51單片機等相比具有較大優(yōu)勢。PC/104的操作系統(tǒng)采用在航空航天領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用的VxWorks嵌入式實時操作系統(tǒng)，系統(tǒng)版本號為5.5。UAV的運動控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示：

圖4 控制系統(tǒng)構(gòu)成

UAV運動控制的軟件部分主要包括地面站監(jiān)控系統(tǒng)和底層控制程序2部分。底層控制程序基于上節(jié)提出的專家S面控制器，地面站監(jiān)控系統(tǒng)主要用于對UAV控制系統(tǒng)進行初始化設(shè)置和任務(wù)規(guī)劃，同時監(jiān)測并顯示UAV載體的實時位姿信息，二者的信息交互如圖5所示：

圖5 信息交互

由于UAV的運動為空間六自由度運動，具有很強的非線性，并且各自由度存在耦合。為了優(yōu)化控制算法、減小控制計算量，可在對UAV的空間運動方程解耦后，每個自由度使用一個控制器，從而實現(xiàn)UAV的有效控制。

4 試驗研究

4.1 仿真試驗

仿真試驗在以運動控制系統(tǒng)采用的PC/104嵌入式計算機為核心的半實物仿真系統(tǒng)中進行，仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖6所示：

圖6 半實物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由圖6可知，半實物仿真系統(tǒng)包含3個主要部分：PC/104嵌入式計算機、地面站監(jiān)控計算機、環(huán)境仿真計算機。環(huán)境仿真計算機用于模擬真實環(huán)境干擾、UAV的運動狀態(tài)和搭載傳感器；PC/104嵌入式計算機和地面站監(jiān)控計算機均為實際所應(yīng)用的設(shè)備。半實物仿真與真實外場試驗唯一的不同是外界環(huán)境干擾和傳感器測量數(shù)據(jù)由環(huán)境仿真計算機通過以太網(wǎng)發(fā)送給PC/104，同時執(zhí)行器信息也通過以太網(wǎng)發(fā)送給環(huán)境仿真計算機。為了驗證本文提出控制器的有效性，選擇文[16]所提出的無人機標稱模型，并與標準S面控制器做比較，進行對比仿真試驗，仿真結(jié)果如下：

1)高度控制仿真

仿真中，設(shè)定保持UAV的目標飛行高度為50m，對比結(jié)果如下：

圖7 高度控制仿真結(jié)果

由圖7可以看出與標準S面控制器相比，專家S面控制器的控制精度更高，高度控制誤差<1m的概率約98%，控制結(jié)果穩(wěn)定且準確。

2)定速飛行仿真

仿真中，維持UAV的飛行速度為10m/s勻速飛行，對比結(jié)果如下：

圖8 定速飛行仿真結(jié)果

在定速飛行仿真中，專家S面控制器的控制誤差<0.2m/s的概率約97%，控制結(jié)果穩(wěn)定且準確。

3)航向控制仿真

仿真中，維持UAV的航向交為北向0°，對比結(jié)果如下：

圖9 航向控制仿真結(jié)果

在航向控制仿真中，專家S面控制器的控制誤差<1.5°的概率約99%，控制結(jié)果穩(wěn)定且準確。

通過上述對比仿真試驗可以看出本文提出的專家S面控制器明顯提升了UAV運動控制精度，對比標準S面算法有較大優(yōu)勢。這是因為專家S面控制器將人的參數(shù)調(diào)整經(jīng)驗編寫成自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整規(guī)則，使控制器能夠根據(jù)需求自適應(yīng)調(diào)整S面控制器參數(shù)，以獲得最優(yōu)控制性能。

4.2 外場試驗

外場試驗基于自主設(shè)計制作的某型UAV平臺(圖10)，該UAV具有飛行性能穩(wěn)定、操縱性好和負載能力強等優(yōu)點。外場試驗區(qū)域為華北某地，附近空氣質(zhì)量良好，無高層建筑，但試驗區(qū)域北邊和西邊靠近山脈，具有一定的隨機環(huán)境擾動，總體來說適合檢驗控制效果。圖11所示為外場試驗的UAV路徑，UAV起飛時垂直爬升，最大爬升率為3m/s，當(dāng)其離地高度達到50m時進入巡航階段，梳狀飛行階段的長邊飛行速度10m/s，轉(zhuǎn)彎和短邊飛行速度2m/s。UAV經(jīng)過梳狀飛行的最后一個規(guī)劃點(210370, 3762683)后進入下降階段，此時UAV從2棟樓間穿過，隨機干擾較強，為了驗證本文提出方法的有效性，在下降階段UAV首先降低到指定高度(20m)并減速到3m/s (此階段水平位移約50m)；在保持等速度、等高度穿越兩棟樓并到達降落點后，UAV垂直降落于地面并回收。

外場試驗中，UAV采用從起飛到降落的全自主飛行模式，整個飛行過程中除非發(fā)生意外情況操作人員僅監(jiān)控UAV的飛行狀態(tài)。圖12為外場試驗結(jié)果，其中圖12(a)為航跡控制誤差，圖12(b)為起飛到水平飛行階段的高度控制結(jié)果，圖12(c)為轉(zhuǎn)入穩(wěn)定水平飛行到UAV進入降落階段(梳狀掃描飛行)的速度控制結(jié)果，圖12(d)為下降階段的軌跡跟蹤結(jié)果?？梢钥闯鲈谕鈭鲈囼炛?，各項控制效果良好，即使在穿越兩棟樓間隨機干擾較強區(qū)域仍有很好的控制能力，因此本文提出的方法能自適應(yīng)克服隨機環(huán)境干擾，滿足UAV飛行控制的需求。

圖10 UAV平臺

圖11 規(guī)劃路徑

5 結(jié)論

以UAV運動控制為研究對象，結(jié)合S面控制器和專家控制思想，提出一種用于UAV運動控制的專家S面控制器，同時進行了UAV運動控制的半實物仿真試驗和外場試驗。本文研究可得到以下結(jié)論：

1) 本文提出的專家S面控制器避免了繁雜的人工參數(shù)調(diào)節(jié)過程，實現(xiàn)了對S面控制器的自適應(yīng)調(diào)整，具有良好的控制性能;

2) 從控制原理上說，專家S面控制器不需要對被控對象進行建模，具有良好的可移植性，適用于不同類型的UAV;

3) 本文設(shè)計的控制系統(tǒng)半實物仿真平臺可為各種正在研究的先進運動控制算法提供一種有效的檢驗手段，縮短控制算法的驗證周期。

圖12 外場試驗結(jié)果