四旋翼無人直升機飛行控制技術綜述

甄紅濤，齊曉慧，夏明旗，趙紅瑞

(1.軍械工程學院光學與電子工程系，河北石家莊 050003;2.總裝備部駐447廠軍事代表室，內(nèi)蒙古包頭 014033;3.內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團有限公司辦公室，內(nèi)蒙古包頭 014033)

引言

四旋翼飛行器是一種能夠垂直起降(VTOL)、自主懸停、非共軸式多旋翼碟形飛行器，目前世界上存在的四旋翼飛行器基本上都屬于微小型無人飛行器，又稱為四旋翼無人直升機。

雖然早在1907年，Breguet兄弟就第一次實現(xiàn)了四旋翼直升機的升空［1］，但此后很長一段時間四旋翼無人機并沒有取得很大的進展。近十幾年來，隨著新型材料、微機電、微慣導及控制技術的發(fā)展，四旋翼無人機又引起了人們極大的興趣。目前，自主飛行控制技術是四旋翼無人直升機的研究熱點，但大多處于實驗階段，未見有實際應用的自主飛行四旋翼的報道。應用比較成熟的大多是遙控航模四旋翼飛行器，如Draganflyer系列、Xaircraft系列等。

本文在分析四旋翼直升機飛行控制系統(tǒng)的特點和要求的基礎上，綜述了國內(nèi)外現(xiàn)有飛行控制方法的應用現(xiàn)狀，最后指出了四旋翼飛行控制技術發(fā)展急需解決的若干問題，并對四旋翼無人直升機的發(fā)展趨勢做了展望。

1 四旋翼直升機的結構

四旋翼直升機的四個旋翼呈十字交叉結構，四個旋翼由四個電機控制，分別位于十字支架的四個頂端，如圖1(a)所示為Xaircraft 650飛機實物圖。四旋翼直升機的前端旋翼1和后端旋翼3沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)，左端旋翼2和右端旋翼4沿順時針方向旋轉(zhuǎn)，以平衡旋翼旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的反扭力矩，如圖1(b)所示。通過改變每個電機的轉(zhuǎn)速可以實現(xiàn)對飛行器垂直起降、懸停、俯仰(前后)、滾轉(zhuǎn)(左右)、偏航(旋轉(zhuǎn))等姿態(tài)和運動狀態(tài)的控制。

與常規(guī)的旋翼式飛行器相比，四旋翼無人直升機結構簡單、成本低廉、性能卓越，可應用領域廣泛，主要體現(xiàn)在以下幾個方面:(1)旋翼尺寸小，且不需要專門的反扭矩槳，飛行安全性高，特別適合在近地面環(huán)境(如室內(nèi)、隧道等)中執(zhí)行監(jiān)視任務，可以對細小環(huán)節(jié)進行偵察;(2)結構緊湊，動力裝置效率高，有效載荷大，可作為高清攝像機等設備的搭載平臺;(3)結構對稱，制造和控制簡單，拆卸方便，易于維護，成本低，安全性好;(4)四旋翼直升機的設計和研制是集諸多技術成果于一體的綜合科學技術問題，涵蓋了結構設計、動力與能源、控制與導航、通信技術、微機電技術和傳感器技術等專業(yè)技術領域，因此可以作為一個優(yōu)秀的交叉學科科研實驗平臺。

2 四旋翼直升機飛行控制特性

四旋翼直升機是一個非線性、強耦合、欠驅(qū)動、時變的被控對象，其獨特的結構布局和飛行控制特性使其控制系統(tǒng)的設計變得較為復雜，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)建模困難

四旋翼直升機在飛行過程中，容易受到外部氣流的干擾。另外，由于微小型四旋翼直升機選用的旋翼尺寸小、質(zhì)量輕、易變形，難以建立其精確的動力學模型。此外，雷諾數(shù)對微型旋翼的升力特性影響很大，在建立四旋翼數(shù)學模型時還要解決低雷諾數(shù)下微型旋翼的空氣動力學問題。建立四旋翼數(shù)學模型的種種復雜性，要求所設計的四旋翼控制系統(tǒng)必須具有較強的魯棒性和模型弱相關性。

(2)欠驅(qū)動特性

四旋翼直升機在空間的運動具有六個自由度，包括飛行器質(zhì)心平移時的三個線自由度和飛行器繞其質(zhì)心旋轉(zhuǎn)時的三個角自由度，而其控制輸入量只有四個旋翼的轉(zhuǎn)速，因此，四旋翼直升機是一個典型的欠驅(qū)動系統(tǒng)(Under-actuated System)。由于欠驅(qū)動系統(tǒng)是具有非完整約束的本質(zhì)非線性系統(tǒng)，且不能完全反饋線性化，這就使得欠驅(qū)動系統(tǒng)的控制設計變得比較復雜［2］。目前欠驅(qū)動系統(tǒng)的研究主要集中在結構較為簡單的機械系統(tǒng)及移動機器人上，適用于欠驅(qū)動四旋翼系統(tǒng)的普遍性成果較少。

(3)強耦合特性

四旋翼直升機需要用四個輸入量控制六個自由度的輸出，因此它的輸出量之間具有高度耦合的特性，任意一個旋翼轉(zhuǎn)速的改變將至少影響三個自由度的改變。例如，增加左旋翼的轉(zhuǎn)速，其他三個旋翼的轉(zhuǎn)速不變，將使飛行器由于左右旋翼的拉力差向右滾轉(zhuǎn);同時該拉力差還會導致飛行器向右平移;此外，由于正轉(zhuǎn)旋翼和反轉(zhuǎn)旋翼所產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)力矩不平衡，還會導致飛行器向左偏航。另外，四旋翼直升機的姿態(tài)與位置存在直接耦合關系，飛行器的滾轉(zhuǎn)和俯仰會直接引起飛行器的左右和前后平移。由于四旋翼直升機這種顯著的耦合特性，在進行四旋翼全飛行包線的控制系統(tǒng)設計時，必須充分考慮各種可能出現(xiàn)的飛行狀態(tài)，保證控制系統(tǒng)具有良好的解耦性和魯棒性。

(4)易受外界干擾

四旋翼無人直升機在空中飛行時，會受到氣流、陣風等外界環(huán)境的影響。尤其是微小型四旋翼直升機尺寸小、重量輕、飛行速度低，更易受外界擾動影響。僅僅靠設計具有強魯棒性或自適應能力的控制系統(tǒng)很難抑制這些擾動，需要對四旋翼的時變空氣動力學特性和非線性的飛行力學特性進行深入的分析，然后針對擾動設計專門的控制方法。另外，由于大多數(shù)四旋翼無人直升機旋翼都采用柔性材料，質(zhì)量輕，受到陣風干擾后的變形對其升力特性和阻力特性的影響，也是設計控制器時不得不考慮的一個現(xiàn)實問題。

3 四旋翼直升機控制技術研究現(xiàn)狀

3.1 數(shù)學建模

為實現(xiàn)對微小型四旋翼飛行器的有效控制，必須充分了解飛行器在各種飛行狀態(tài)下的動力學特性，建立精確數(shù)學模型。然而四旋翼飛行器多變量、強耦合、非線性的動力學特性，使得通過理論分析精確建立四旋翼飛行動力學數(shù)學模型的問題尚未解決。

關于四旋翼無人直升機的數(shù)學建模主要有兩種方法:理論推導法和試驗辨識法。理論推導法是通過對飛行器各部分的物理結構和受力分析，經(jīng)過嚴格的理論計算得到線性或非線性數(shù)學模型;試驗辨識法則是基于試驗數(shù)據(jù)，利用系統(tǒng)辨識理論獲得系統(tǒng)參數(shù)模型。目前主要是通過理論分析四旋翼無人機動力學特性，簡化或增加四旋翼的約束條件，建立線性或非線性數(shù)學模型［3］。

3.2 飛行控制方法

四旋翼直升機強耦合、非線性、欠驅(qū)動、干擾敏感的特性，使得飛行控制系統(tǒng)的設計變得非常困難。此外，控制系統(tǒng)的性能還受到模型準確性和傳感器精度的影響?？v然四旋翼直升機控制系統(tǒng)的設計面臨著種種困難，其獨特的性能優(yōu)勢和廣泛的應用領域吸引著越來越多的學者對其進行研究。近年來，國內(nèi)外學者對四旋翼直升機的控制策略進行了大量的研究，表1中列出了四旋翼直升機幾種典型的控制方法及其特點。

經(jīng)典PID控制在單一通道的控制設計方面技術比較成熟，且易于實現(xiàn)，因此，在四旋翼直升機的工程實踐中得到了大量的應用。然而，經(jīng)典PID控制參數(shù)整定過程繁瑣、可移植性差、解耦性能和魯棒性差等固有的缺點限制了四旋翼控制性能的提高。隨著現(xiàn)代控制理論和智能控制理論的發(fā)展，一些新技術與PID控制技術相結合的先進PID控制也在四旋翼控制中得到了大量的應用，如模糊PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡PID控制、自適應PID控制等。

反步法(Backstepping)又稱為反演法或回退法，被廣泛應用于非線性系統(tǒng)和欠驅(qū)動系統(tǒng)的控制。該方法基于Lyapunov穩(wěn)定性理論，通過反向遞推構造Lyapunov函數(shù)，設計控制器，使系統(tǒng)實現(xiàn)全局漸近穩(wěn)定。該方法主要針對滿足嚴格反饋控制結構的系統(tǒng)，在四旋翼的跟蹤控制中應用較多。

嵌套飽和(Nested Saturation)控制方法是一種應用于嚴格前饋級聯(lián)系統(tǒng)中的成熟控制策略，具有計算量小、魯棒性強和全局漸進穩(wěn)定的優(yōu)點。但應用該方法之前需將四旋翼動力學模型轉(zhuǎn)換為嚴格的前饋級聯(lián)規(guī)范型，針對四旋翼這種欠驅(qū)動系統(tǒng)不能完全反饋線性化的特點，文獻［11］將動力學模型部分反饋線性化，然后經(jīng)過進一步的坐標變換，轉(zhuǎn)換為規(guī)范型，設計了飽和嵌套控制器。

滑模(Sliding Mode)控制是一種變結構控制，按照一定的邏輯通過改變系統(tǒng)內(nèi)部反饋控制結構，使系統(tǒng)的狀態(tài)在滑模面上滑動，并最終達到平衡點?；？刂破鲗δＰ驼`差、參數(shù)不確定性和外部干擾具有不敏感性，魯棒性較強。文獻［16］中將四旋翼系統(tǒng)分為全驅(qū)動子系統(tǒng)和欠驅(qū)動子系統(tǒng)，分別設計了滑模控制器。文獻［17］中設計了滑模觀測器來估計由風或模型參數(shù)不確定性引起的外部干擾，提高了控制的魯棒性。這些先進控制理論的控制性能是無可置疑的，但是目前大多數(shù)先進控制理論仍處于實驗室仿真階段，離具體工程實現(xiàn)還存在較大的距離。另外，經(jīng)典控制和單一的現(xiàn)代控制方法都只是側(cè)重于被控系統(tǒng)的某一特性，針對四旋翼這種非線性、強耦合、欠驅(qū)動的復雜系統(tǒng)，單一的控制方法會限制系統(tǒng)整體性能的提高。因此，多種控制算法相結合的復合控制方法近年來得到了廣泛關注，如南京理工大學黃溪流設計的基于反步法的滑模控制器;國防科學技術大學王俊生設計的加入跟蹤微分器的自適應模糊PI滑?？刂破鳎?7］;加拿大湖首大學A Tayebi設計的基于四元數(shù)的PD2反饋控制［14］。

目前對于四旋翼無人直升機飛行控制的研究，大部分是針對姿態(tài)穩(wěn)定控制。因為四旋翼飛行器的姿態(tài)與位置存在直接耦合關系，如果能精確控制飛行器姿態(tài)，則其位置與速度控制就會變得輕而易舉。因此，國內(nèi)外相關人員都著重進行了姿態(tài)控制器的設計，但大都加入了許多約束條件，且大部分處于實驗室仿真階段，實際工程實現(xiàn)的控制效果較好的四旋翼不多。研制既能精確控制飛行器姿態(tài)，又具有較強抗干擾能力的姿態(tài)控制器是四旋翼直升機飛行控制系統(tǒng)研究的當務之急。

4 四旋翼飛行控制技術發(fā)展趨勢

隨著控制理論和計算機技術的發(fā)展，四旋翼無人直升機飛行控制技術也朝著智能化和數(shù)字化的方向發(fā)展，一些新的控制理論在四旋翼控制中得到了應用，如容錯控制［18］、自抗擾控制(ADRC)［19］等，一些試驗系統(tǒng)也完成了實驗室環(huán)境下的試飛，如瑞士洛桑聯(lián)邦科技學院(EPFL)的OS4項目［20］，美國斯坦福大學(Stanford)的 STARMAC 工程［21］，國防科學技術大學的Quad-Rotor實驗平臺［22］等。但從目前的研究現(xiàn)狀來看，四旋翼無人直升機的飛行控制技術還遠未成熟，大多數(shù)的研究往往只考慮特定環(huán)境下特定飛行模式的控制技術，離實現(xiàn)真正的四旋翼無人自主飛行還有一定的差距，還有許多關鍵技術亟待解決，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)一體化建模技術

四旋翼無人直升機精確數(shù)學模型的建立是設計高性能控制器的基本前提，但由于四旋翼本身復雜的結構特性和飛行過程中的多種物理效應的影響，目前的研究大都建立了相對簡化的模型。欲建立四旋翼精確的數(shù)學模型，低雷諾數(shù)條件下的空氣動力學問題、柔性旋翼氣動性能參數(shù)的測量技術和模型的測量和驗證方法等問題還需進一步解決。

另外，在飛行器控制系統(tǒng)設計中，大多數(shù)都不考慮發(fā)動機的模型，但對于四旋翼直升機來說，其發(fā)動機的工作狀態(tài)與旋翼的動態(tài)性能緊密相關，而旋翼的動態(tài)性能又與機體的受力情況及機體姿態(tài)緊密相關，因此，如何進一步發(fā)展新的試驗方法獲得四旋翼機體與發(fā)動機的一體化模型是四旋翼建模技術需解決的關鍵問題［23］。

(2)自主控制技術

高度自主控制和高度智能化是四旋翼發(fā)展的主要方向。要使四旋翼直升機在各種環(huán)境中都能充分發(fā)揮優(yōu)良性能，就要實現(xiàn)自主飛行。先進的控制方法是實現(xiàn)四旋翼自主飛行的重要前提，在控制理論的基礎研究和工程應用方面，如何將傳統(tǒng)控制設計方法積累的經(jīng)驗應用于先進控制方法的設計中，如何將實際物理意義與理論指標建立聯(lián)系，如何有效驗證控制器性能的好壞和工程實現(xiàn)，已成為四旋翼自主控制技術發(fā)展中最現(xiàn)實的問題。

未來高度智能化的四旋翼無人機，除了實現(xiàn)自主飛行，還需具有自主決策能力。要能夠自主完成航跡的規(guī)劃，通過在線感知實現(xiàn)自主導航，并能夠按一定原則在飛行中自主完成預定任務，還需要一定的在不確定性前提下處理復雜問題的自主決策能力。人工智能是提高四旋翼智能化水平的重要手段，仿生感知及其控制研究也為飛行器的智能化提供了一個新的途徑，如多旋翼編隊飛行控制技術［24］。

(3)整體設計技術

為了充分發(fā)揮四旋翼直升機機動靈活的特點，微小型化將是四旋翼無人機的一個主要發(fā)展方向。進行微小型四旋翼飛行器總體設計時，需要遵循以下原則:重量輕、尺寸小、速度快、能耗低。要綜合考慮這些因素，確保實現(xiàn)整體設計的最優(yōu)化。

5 結束語

本文討論的微小型四旋翼無人直升機作為一個高性能、低成本的作戰(zhàn)平臺，必將在未來的軍事和民用領域中發(fā)揮重要作用。經(jīng)過近十幾年的快速發(fā)展，四旋翼遙控航模飛行器的商業(yè)化應用和四旋翼無人直升機的自主飛行控制研究取得了一些成果，但目前還處于發(fā)展階段，尤其是要實現(xiàn)四旋翼的自主飛行還有很長一段路要走。有理由相信，通過研究人員堅持不懈的努力，不僅能解決四旋翼自身的問題，必將還會推動所涉及領域關鍵技術的發(fā)展。

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