柯堯皓 廣州市真光中學(xué)

1 引言

無人機(jī)在控制過程中為了提高控制精度和減輕操控者的負(fù)擔(dān)，往往都會(huì)利用飛行控制系統(tǒng)來進(jìn)行輔助控制。而不同的飛行控制系統(tǒng)算法都各有特點(diǎn)，我們則要根據(jù)不同的使用環(huán)境、任務(wù)需求、平臺(tái)性能、經(jīng)濟(jì)狀況來選擇合適的飛行控制系統(tǒng)。目前四旋翼無人飛行器得到廣泛應(yīng)用，并且相關(guān)的研究成果斐然，但是就當(dāng)前的算法發(fā)展現(xiàn)狀而言，依然存在兩個(gè)方面的問題亟待解決。

(1)精確的數(shù)學(xué)建模。四旋翼無人機(jī)的飛行控制就是通過其四個(gè)旋翼進(jìn)行控制，這四個(gè)旋翼是由4 個(gè)獨(dú)立的電機(jī)控制，這樣就必然會(huì)存在一系列的誤差。首先，旋翼可能存在諸如4 個(gè)軸的質(zhì)量分布不均勻、長度不一致以及四個(gè)軸與機(jī)身平面不完全垂直；其次，飛行中電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)帶來的誤差；此外，外部的氣流變化也對(duì)精確建模產(chǎn)生了一定影響。

(2)四旋翼無人機(jī)的控制系統(tǒng)屬于輸入量多、輸出量多、非線性、強(qiáng)耦合、欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。四旋翼無人機(jī)在空間飛行時(shí)候一共有6 個(gè)自由度，這6 個(gè)自由度控制僅僅是依靠旋轉(zhuǎn)翼的四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)的轉(zhuǎn)速與無人機(jī)的位姿控制存在耦合，并且容易受到外部因素的干擾，這些都會(huì)加大無人機(jī)的飛行控制難度。

對(duì)于提到的問題，國內(nèi)外研究人員有的是對(duì)模型進(jìn)行簡化處理，即對(duì)不確定因素的影響給予忽略，以期達(dá)到對(duì)無人機(jī)的飛行控制，這些相關(guān)的算法有經(jīng)典PID、最優(yōu)LQR；有的是對(duì)非線性、魯棒性以及綜合型算法進(jìn)行相關(guān)研究，在對(duì)控制系統(tǒng)的抗干擾性能和環(huán)境適應(yīng)能力上深入研究，這類算法有反步法算法、滑?？刂扑惴ㄒ约白赃m應(yīng)控制等算法。不管采用何種控制方法，無人機(jī)的系統(tǒng)建模的出發(fā)點(diǎn)都是空間的轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

2 四旋翼無人機(jī)算法

2.1 PID 算法

目前PID 算法在不少學(xué)者的研究下發(fā)展出多種算法，例如，模糊PID 的多旋翼無人機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)、串聯(lián)模糊PID 控制的四旋翼無人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等算法，使經(jīng)典PID 算法的性能得到較大的提升。

模糊PID 控制系統(tǒng)利用模糊控制規(guī)則對(duì)PID 參數(shù)進(jìn)行修改，構(gòu)成自適應(yīng)模糊PID 控制器，即通過模糊控制原理對(duì)3 個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足不同偏差以及偏差變化率對(duì)PID 參數(shù)設(shè)定的要求，確保被控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性。

民用無人機(jī)方面，越來越多人學(xué)習(xí)操控?zé)o人機(jī)的趨勢下，可以利用模糊PID 算法能有效的解決經(jīng)典PID 算法中的延時(shí)問題這一優(yōu)點(diǎn)，提高無人機(jī)的控制精度和減少操控難度，能讓更好的輔助初學(xué)者學(xué)習(xí)無人機(jī)操控。在農(nóng)用無人機(jī)方面，利用這一優(yōu)點(diǎn)還可以使無人機(jī)具有更好的抗風(fēng)性能和飛行穩(wěn)定性，使無人機(jī)可以在更惡劣的環(huán)境下能夠進(jìn)行操控，并且可以執(zhí)行農(nóng)業(yè)作業(yè)的飛行任務(wù)，拓展無人機(jī)的使用環(huán)境狀況。

串聯(lián)模糊PID 控制器是在串級(jí)PID 基礎(chǔ)上，同時(shí)在內(nèi)環(huán)角速度控制器中加入模糊自整定PID 參數(shù)控制器，構(gòu)成串級(jí)模糊PID 參數(shù)控制算法?？梢允篃o人機(jī)俯仰姿態(tài)角的振蕩幅度最小，具有更高的穩(wěn)定性和魯棒性。

總的來說PID 算法有著原理簡單、成本低的特點(diǎn)，可以用于平常的民用、農(nóng)用無人機(jī)的平臺(tái)，飛行控制的硬件計(jì)算能力要求低，其控制精度可以滿足日常的攝影、植保等任務(wù)。PID 可以使無人機(jī)的總體穩(wěn)定性得到較大的提升和姿態(tài)震蕩幅度的減小，這使得無人機(jī)的飛行精度得到了進(jìn)一步的提升。但在抗干擾的方面，受限于搭載PID 算法的計(jì)算機(jī)的運(yùn)算和儲(chǔ)存能力，如果有數(shù)據(jù)發(fā)生突變時(shí)，由算法的比例部分和微分部分計(jì)算出的控制增量可能比較大，如果該值超過了計(jì)算機(jī)所允許的最大限度，那么超過限度的部分?jǐn)?shù)據(jù)將丟失，導(dǎo)致無法進(jìn)行有效的運(yùn)算，使飛行控制系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間變長。不過綜合目前市面上的飛行控制平臺(tái)的計(jì)算能力和日常的任務(wù)來看，這類問題不會(huì)對(duì)無人機(jī)操控造成很大的影響。

2.2 LQR 算法

線性二次型調(diào)節(jié)器LQR 能夠得到狀態(tài)線性反饋的最優(yōu)控制規(guī)律，這樣可以構(gòu)成閉環(huán)最優(yōu)控制。LQR 最優(yōu)控制能夠在低廉成本下使得原來的系統(tǒng)性能達(dá)到比較好的指標(biāo)，并且這種方法簡單易實(shí)現(xiàn)。

LQR 算法最大的特點(diǎn)是采用二次型函數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，而線性二次型問題的最優(yōu)解可以寫成統(tǒng)一的解析表達(dá)式以及求解的過程可以實(shí)現(xiàn)規(guī)范化，并且能夠簡單地采用狀態(tài)線性反饋控制律構(gòu)成閉環(huán)最優(yōu)控制系統(tǒng)，能夠兼顧多項(xiàng)性能指標(biāo)，因而受到重視。

LQR 算法更多是作為一種輔助算法與其它的算法結(jié)合，比如說在PID 算法中引入LQR 算法，可以利用LQR 算法反應(yīng)快和兼顧多指標(biāo)的特點(diǎn)提升PID 算法的運(yùn)算速度和效率。經(jīng)過LQR 算法優(yōu)化后的PID 算法可以在一定程度上緩解上文提到的因計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力而導(dǎo)致的演示問題。

LQR 算法雖然不能單獨(dú)用在無人機(jī)飛控系統(tǒng)上，但里面的運(yùn)用的二次型函數(shù)給我們提供了一個(gè)利用LQR 算法對(duì)其它算法進(jìn)行優(yōu)化的方案。

2.3 滑?？刂扑惴?/h3>

滑模控制最大的特點(diǎn)是其控制算法會(huì)根據(jù)當(dāng)前的無人機(jī)狀態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)而減少無人機(jī)的動(dòng)作延時(shí)，讓動(dòng)作變得更干凈利落，這也使得滑模控制器的精度比其它的算法的精度更高，抗干擾的能力更高。不過由于滑?？刂破餍枰诙虝r(shí)間內(nèi)針對(duì)飛行情況更換控制算法，這導(dǎo)致搭載滑?？刂破鞯娘w行控制的計(jì)算機(jī)的計(jì)算量大大提升，也提高了對(duì)平臺(tái)的要求。

不過根據(jù)其特點(diǎn)，可以看出滑?？刂破鬟m用于對(duì)動(dòng)作精度要求高、飛行環(huán)境惡劣、對(duì)操控反應(yīng)時(shí)間高的無人機(jī)，比如說時(shí)下流行的競速無人機(jī)或者是要求在狹窄空間內(nèi)穿行的戰(zhàn)術(shù)軍用無人機(jī)和在類似火災(zāi)現(xiàn)場等環(huán)境不確定因素較大的惡劣環(huán)境內(nèi)執(zhí)行偵察任務(wù)的無人機(jī)。不過在使用滑?？刂破鞯臅r(shí)候要考慮到因計(jì)算量增加所帶來的計(jì)算機(jī)增重、功耗、散熱等硬件問題。

3 發(fā)展前景

目前來看，四旋翼無人機(jī)中運(yùn)用最為廣泛控制算法依然是PID,這種經(jīng)典的算法可以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)懸停和飛行軌跡跟蹤等功能；當(dāng)下的研究熱點(diǎn)主要聚集在無人機(jī)的非線性控制和魯棒性能等；隨著人工智能的快速發(fā)展，無人機(jī)的人工智能方向也成為另一個(gè)關(guān)注度較高的方向，該方向基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能技術(shù)，無人機(jī)在執(zhí)行相關(guān)飛行任務(wù)中實(shí)現(xiàn)自主規(guī)劃路線以及起飛和降落等；還有就是不少公司提出了用大型四旋翼或多旋翼無人機(jī)作為新一代載具構(gòu)想。這些都說明了無人機(jī)有著廣闊的發(fā)展前景，無論朝著哪個(gè)方向發(fā)展,無人機(jī)都離不開飛行控制算法的支持。

結(jié)束語

無人機(jī)作為靈活、低廉、多功能的飛行器，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到軍用以及民用等相關(guān)飛行任務(wù)中。隨著科技的發(fā)展，無人機(jī)的發(fā)展前景會(huì)更加廣闊，飛行的性能以及功能會(huì)更加完善，比如當(dāng)前的人工智能技術(shù)的發(fā)展將促進(jìn)無人機(jī)向人工智能的領(lǐng)域發(fā)展；新技術(shù)發(fā)展會(huì)促進(jìn)無人機(jī)飛行控制算法不斷優(yōu)化和革新。