張明家 馮秀 南京科技職業(yè)學(xué)院

四旋翼無(wú)人機(jī)是一種六自由度無(wú)人飛行器，能夠完成定點(diǎn)懸停、垂直起降、低速飛行等特殊功能，相較于固定翼無(wú)人機(jī)和直升無(wú)人機(jī)，具有操控簡(jiǎn)單、靈活度高、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。四旋翼無(wú)人機(jī)以其優(yōu)越的性能，廣泛應(yīng)用于偵查監(jiān)控、電力巡檢、航拍攝影等軍用和民用領(lǐng)域。

隨著技術(shù)的發(fā)展，四旋翼無(wú)人機(jī)已經(jīng)要求具備半自主飛行和自主飛行能力，需要根據(jù)任務(wù)內(nèi)容自主進(jìn)行軌跡規(guī)劃、按照參考軌跡進(jìn)行飛行。本文基于串級(jí)PID 控制器，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的位置控制與姿態(tài)控制；采用帶側(cè)偏距與姿態(tài)角偏差反饋的橫側(cè)向軌跡跟蹤方法，解決了四旋翼無(wú)人機(jī)在軌跡跟蹤過(guò)程中偏離航線的問(wèn)題；并在Simulink 環(huán)境下對(duì)四旋翼模型、控制系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)。

1 四旋翼無(wú)人機(jī)控制器設(shè)計(jì)

通過(guò)機(jī)理建模法，對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)各個(gè)組成部分進(jìn)行受力分析和理論計(jì)算，使用牛頓歐拉方程，建立動(dòng)力學(xué)模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。

四旋翼無(wú)人機(jī)的底層飛行控制可以分為位置控制與姿態(tài)控制，位置控制根據(jù)期望的位置解算期望姿態(tài)角以及期望總拉力，姿態(tài)控制則根據(jù)期望姿態(tài)角解算期望力矩，解算得到的力和力矩輸入到系統(tǒng)模型中的控制分配模塊以及電機(jī)控制模塊，解算出每個(gè)電機(jī)的期望轉(zhuǎn)速和期望油門指令。本文采用串級(jí)PID 控制算法，外環(huán)角度控制系統(tǒng)的輸入信息為無(wú)人機(jī)的姿態(tài)角度，內(nèi)環(huán)角速度控制系統(tǒng)的輸入信息為姿態(tài)角速度、姿態(tài)角速度的積分和姿態(tài)角速度的微分。

當(dāng)無(wú)人機(jī)偏離軌跡航線時(shí)，控制器通過(guò)計(jì)算側(cè)偏距，作為反饋值調(diào)整滾轉(zhuǎn)角朝軌跡航線逼近，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的軌跡跟蹤。

圖1 帶側(cè)偏距反饋的橫向軌跡跟蹤

2 仿真驗(yàn)證與分析

在Matlab/Simulink 中搭建系統(tǒng)仿真模型，包括軌跡跟蹤控制器、位置控制器、姿態(tài)控制器、四旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)模型。為了驗(yàn)證軌跡跟蹤算法，選取一種對(duì)角線航跡路徑點(diǎn)，比較傳統(tǒng)串級(jí)PID 算法與帶側(cè)偏距反饋的串級(jí)PID 算法的控制效果。

表1 航跡點(diǎn)數(shù)據(jù)

跟蹤航跡路徑點(diǎn)過(guò)程中，四旋翼無(wú)人機(jī)需要同時(shí)改變俯仰和橫滾通道的角度值，兩個(gè)通道變化率不同導(dǎo)致無(wú)法精準(zhǔn)的跟蹤軌跡，存在偏移誤差。

圖2 側(cè)偏距誤差對(duì)比圖

3 結(jié)論

本文針對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)軌跡跟蹤及控制問(wèn)題，采用串級(jí)PID 算法實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)的位置控制器和姿態(tài)控制器設(shè)計(jì)，并在水平通道上采用側(cè)偏距反饋的算法解決了軌跡跟蹤航跡偏移的問(wèn)題，在Simulink環(huán)境中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了完整的仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果表明本文所設(shè)計(jì)的方法是有效可行的。該仿真系統(tǒng)可以應(yīng)用于無(wú)人機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，便于學(xué)生直觀準(zhǔn)確的觀測(cè)無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)以及進(jìn)行控制器調(diào)參實(shí)驗(yàn)等。該系統(tǒng)當(dāng)前針對(duì)不同軌跡點(diǎn)，側(cè)偏距反饋算法的比例系數(shù)需要進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，后續(xù)將針對(duì)側(cè)偏距與姿態(tài)角偏差的大小進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，提高系統(tǒng)的自適應(yīng)性能。