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多旋翼無人機(jī)飛行控制方法講解

時(shí)間:2020-11-04 15:09:02 航空培訓(xùn) 我要投稿

多旋翼無人機(jī)飛行控制方法講解

  為了克服某些線性控制方法的限制,一些非線性的控制方法被提出并且被運(yùn)用到飛行器的控制中。下面是小編為大家分享多旋翼無人機(jī)飛行控制方法講解,歡迎大家閱讀瀏覽。

  1 線性飛行控制方法

  常規(guī)的飛行器控制方法以及早期的對(duì)飛行器控制的嘗試都是建立在線性飛行控制理論上的,這其中就又有諸如PID、H∞、LQR以及增益調(diào)度法。

  1.PID PID控制屬于傳統(tǒng)控制方法,是目前最成功、用的最廣泛的控制方法之一。其控制方法簡(jiǎn)單,無需前期建模工作,參數(shù)物理意義明確,適用于飛行精度要求不高的控制。

  2.H∞ H∞屬于魯棒控制的方法。經(jīng)典的控制理論并不要求被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型來解決多輸入多輸出非線性系統(tǒng)問題。現(xiàn)代控制理論可以定量地解決多輸入多輸出非線性系統(tǒng)問題,但完全依賴于描述被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型。魯棒控制可以很好解決因干擾等因素引起的建模誤差問題,但它的計(jì)算量非常大,依賴于高性能的處理器,同時(shí),由于是頻域設(shè)計(jì)方法,調(diào)參也相對(duì)困難。

  3.LQR LQR是被運(yùn)用來控制無人機(jī)的比較成功的方法之一,其對(duì)象是能用狀態(tài)空間表達(dá)式表示的線性系統(tǒng),目標(biāo)函數(shù)為是狀態(tài)變量或控制變量的二次函數(shù)的積分。而且Matlab軟件的使用為L(zhǎng)QR的控制方法提供了良好的仿真條件,更為工程實(shí)現(xiàn)提供了便利。

  4.增益調(diào)度法 增益調(diào)度(Gain scheduling)即在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),調(diào)度變量的變化導(dǎo)致控制器的參數(shù)隨著改變,根據(jù)調(diào)度變量使系統(tǒng)以不同的控制規(guī)律在不同的區(qū)域內(nèi)運(yùn)行,以解決系統(tǒng)非線性的問題。該算法由兩大部分組成,第一部分主要完成事件驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)參數(shù)調(diào)整。 如果系統(tǒng)的運(yùn)行情況改變,則可通過該部分來識(shí)別并切換模態(tài);第二部分為誤差驅(qū)動(dòng),其控制功能由選定的模態(tài)來實(shí)現(xiàn)。該控制方法在旋翼無人機(jī)的垂直起降、定點(diǎn)懸停及路徑跟蹤等控制上有著優(yōu)異的性能。

  2 基于學(xué)習(xí)的飛行控制方法

  基于學(xué)習(xí)的飛行控制方法的特點(diǎn)就是無需了解飛行器的動(dòng)力學(xué)模型,只要一些飛行試驗(yàn)和飛行數(shù)據(jù)。其中研究最熱門的有模糊控制方法、基于人體學(xué)習(xí)的方法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。

  1.模糊控制方法(Fuzzy logic)模糊控制是解決模型不確定性的方法之一,在模型未知的情況下來實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)的控制。

  2.基于人體學(xué)習(xí)的方法(Human-based learning) 美國MIT的科研人員為了尋找能更好地控制小型無人飛行器的控制方法,從參加軍事演習(xí)進(jìn)行特技飛行的飛機(jī)中采集數(shù)據(jù),分析飛行員對(duì)不同情況下飛機(jī)的操作,從而更好地理解無人機(jī)的輸入序列和反饋機(jī)制。這種方法已經(jīng)被運(yùn)用到小型無人機(jī)的自主飛行中。

  3.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法(Neural networks) 經(jīng)典PID控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、易于實(shí)現(xiàn), 但當(dāng)被控對(duì)象具有復(fù)雜的非線性特性、難以建立精確的數(shù)學(xué)模型時(shí),往往難以達(dá)到滿意的控制效果。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制技術(shù)能有效地實(shí)現(xiàn)多種不確定的、難以確切描述的非線性復(fù)雜過程的控制,提高控制系統(tǒng)的魯棒性、容錯(cuò)性,且控制參數(shù)具有自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力。

  3 基于模型的非線性控制方法

  為了克服某些線性控制方法的限制,一些非線性的控制方法被提出并且被運(yùn)用到飛行器的控制中。這些非線性的控制方法通常可以歸類為基于模型的非線性控制方法。這其中有反饋線性化、模型預(yù)測(cè)控制、多飽和控制、反步法以及自適應(yīng)控制。

  1.反饋線性化(feedback linearization) 反饋線性化是非線性系統(tǒng)常用的一種方法。它利用數(shù)學(xué)變換的方法和微分幾何學(xué)的知識(shí),首先,將狀態(tài)和控制變量轉(zhuǎn)變?yōu)榫性形式,然后,利用常規(guī)的線性設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì),最后,將設(shè)計(jì)的結(jié)果通過反變換,轉(zhuǎn)換為原始的狀態(tài)和控制形式。反饋線性化理論有兩個(gè)重要分支:微分幾何法和動(dòng)態(tài)逆法,其中動(dòng)態(tài)逆方法較微分幾何法具有簡(jiǎn)單的推算特點(diǎn),因此更適合用在飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上。但是,動(dòng)態(tài)逆方法需要相當(dāng)精確的飛行器的模型,這在實(shí)際情況中是十分困難的。此外,由于系統(tǒng)建模誤差,加上外界的各種干擾,因此,設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)考慮魯棒性的因素。動(dòng)態(tài)逆的'方法有一定的工程應(yīng)用前景,現(xiàn)已成為飛控研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)話題。

  2.模型預(yù)測(cè)控制(model predictive control)模型預(yù)測(cè)控制是一類特殊的控制方法。它是通過在每一個(gè)采樣瞬間求解一個(gè)有限時(shí)域開環(huán)的最優(yōu)控制問題獲得當(dāng)前控制動(dòng)作。最優(yōu)控制問題的初始狀態(tài)為過程的當(dāng)前狀態(tài),解得的最優(yōu)控制序列只施加在第一個(gè)控制作用上,這是它和那些預(yù)先計(jì)算控制律的算法的最大區(qū)別。本質(zhì)上看模型預(yù)測(cè)控制是求解一個(gè)開環(huán)最優(yōu)控制的問題,它與具體的模型無關(guān),但是實(shí)現(xiàn)則與模型相關(guān)。

  3.多飽和控制(nested saturation)飽和現(xiàn)象是一種非常普遍的物理現(xiàn)象,存在于大量的工程問題中。運(yùn)用多飽和控制的方法設(shè)計(jì)多旋翼無人機(jī),可以解決其它控制方法所不能解決的很多實(shí)際的問題。尤其是對(duì)于微小型無人機(jī)而言,由于大傾角的動(dòng)作以及外部干擾,致動(dòng)器會(huì)頻繁出現(xiàn)飽和。致動(dòng)器飽和會(huì)限制操作的范圍并削弱控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。很多方法都已經(jīng)被用來解決飽和輸入的問題,但還沒有取得理想的效果。多飽和控制在控制飽和輸入方面有著很好的全局穩(wěn)定性,因此這種方法常用來控制微型無人機(jī)的穩(wěn)定性。

  4.反步控制(Backstepping)反步控制是非線性系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)最常用的方法之一,比較適合用來進(jìn)行在線控制,能夠減少在線計(jì)算的時(shí)間;贐ackstepping的控制器設(shè)計(jì)方法,其基本思路是將復(fù)雜的系統(tǒng)分解成不超過系統(tǒng)階數(shù)的多個(gè)子系統(tǒng),然后通過反向遞推為每個(gè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分李雅普諾夫函數(shù)和中間虛擬控制量,直至設(shè)計(jì)完成整個(gè)控制器。反步方法運(yùn)用于飛控系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)可以處理一類非線性、不確定性因素的影響,而且已經(jīng)被證明具有比較好穩(wěn)定性及誤差的收斂性。

  5.自適應(yīng)控制(adaptive control) 自適應(yīng)控制也是一種基于數(shù)學(xué)模型的控制方法,它最大的特點(diǎn)就是對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)部模型和外部擾動(dòng)的信息依賴比較少,與模型相關(guān)的信息是在運(yùn)行系統(tǒng)的過程中不斷獲取的,逐步地使模型趨于完善。隨著模型的不斷改善,由模型得到的控制作用也會(huì)跟著改進(jìn),因此控制系統(tǒng)具有一定的適應(yīng)能力。但同時(shí),自適應(yīng)控制比常規(guī)反饋控制要復(fù)雜,成本也很高,因此只是在用常規(guī)反饋達(dá)不到所期望的性能時(shí),才會(huì)考慮采用自適應(yīng)的方法。

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