基于改進(jìn)遺傳算法的無(wú)人機(jī)航向控制器參數(shù)優(yōu)化

周國(guó)慶 孫丹睿 吳 江 王 鋒 趙為平

（1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110136；2.北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，中國(guó) 北京 100876）

小型無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)的內(nèi)回路是由飛行方向、飛行軌跡、飛行高度等外回路控制的基礎(chǔ)[1]。其中，在俯仰角控制內(nèi)回路的基礎(chǔ)上保持無(wú)人機(jī)的高度，在引入氣壓高度反饋信號(hào)構(gòu)成無(wú)人機(jī)飛行高度穩(wěn)定外回路來(lái)實(shí)現(xiàn)的；航向控制與穩(wěn)定是通過(guò)將航向信號(hào)反饋到滾轉(zhuǎn)控制通道，構(gòu)成無(wú)人機(jī)的飛行方向控制外回路來(lái)實(shí)現(xiàn)的；自主導(dǎo)航飛行是在飛行導(dǎo)航控制回路的基礎(chǔ)上，引入側(cè)偏距反饋構(gòu)成航跡控制外回路來(lái)實(shí)現(xiàn)的[2]。本文為了獲得更佳的系統(tǒng)性能，將遺傳算法引入到航向控制器中，并采用遺傳算法進(jìn)行PID參數(shù)的全局尋優(yōu)。在保證滾轉(zhuǎn)角控制內(nèi)回路穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，得到航向角反饋信號(hào)構(gòu)成飛行航向穩(wěn)定外回路控制器參數(shù)。針對(duì)遺傳算法中個(gè)體的多樣性衰減過(guò)快，容易陷入局部最優(yōu)特點(diǎn)，對(duì)遺傳算法進(jìn)行了必要的改進(jìn)，以保證個(gè)體中的多樣性和尋優(yōu)的快速性。

1 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及控制框圖

無(wú)人機(jī)可視作多輸入多輸出的非線性系統(tǒng)，通常以其水平直飛為基準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)，對(duì)整機(jī)的狀態(tài)方程進(jìn)行線性化處理，得到無(wú)人機(jī)性能的線性方程。之后在選定適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)向量，建立整機(jī)的小擾動(dòng)狀態(tài)方程。某型無(wú)人機(jī)在(H=12127m，V=0.787Ma)時(shí)，系統(tǒng)狀態(tài)方程為：

式中，βx為機(jī)身側(cè)滑角，ωx,ωy為直升機(jī)角速度在機(jī)體坐標(biāo)系下的分量，γ為直升機(jī)的側(cè)傾角。

航向保持/控制回路能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人機(jī)航向保持、航向設(shè)定功能。航向控制框圖如圖1所示。

圖1 航向角控制框圖

在無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，利用小擾動(dòng)分析建立四通道（俯仰、滾轉(zhuǎn)、方向和高度）線性模型，之后在該模型基礎(chǔ)上進(jìn)行PID控制參數(shù)的選取[3]，既要保證較好的動(dòng)態(tài)飛行品質(zhì)特性，同時(shí)兼顧性能魯棒性與穩(wěn)定魯棒性[4]。為了獲得滿意的系統(tǒng)性能，本文采用遺傳算法進(jìn)行PID參數(shù)的尋優(yōu)。

圖2 遺傳算法流程圖

圖3 改進(jìn)遺傳算法流程圖

2 改進(jìn)的遺傳算法

遺傳算法是一種隨機(jī)搜索算法，利用系統(tǒng)內(nèi)參數(shù)進(jìn)行復(fù)制、交叉和變異等遺傳操作來(lái)模擬自然進(jìn)化，完成問(wèn)題尋優(yōu)的方法?；具z傳算法框圖如圖2，改進(jìn)的遺傳算法如圖3所示。

在尋優(yōu)過(guò)程中，第一步要對(duì)無(wú)人機(jī)滾轉(zhuǎn)角控制內(nèi)回路的參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，然后再對(duì)航向角反饋信號(hào)構(gòu)成無(wú)人機(jī)飛行航向穩(wěn)定外回路控制器參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)。這樣，全局尋優(yōu)的目標(biāo)函數(shù)為：

3 仿真結(jié)果

采用遺傳算法尋優(yōu)中使用的樣本個(gè)數(shù)為50，本文中在遺傳操作1時(shí)pc和pm參數(shù)取值為0.25和0.1，目的是考慮算法的收斂性和精確性；在遺傳操作2時(shí)pc和pm參數(shù)取值為0.45和0.7，目的是考慮種群的多樣性及算法的搜索能力?？刂茀?shù)的取值范圍統(tǒng)一為[0，5]，權(quán)值步長(zhǎng)0.01s。采用二進(jìn)制編碼，經(jīng)過(guò)50代尋優(yōu)。出于對(duì)實(shí)際系統(tǒng)方面考慮，引入舵機(jī)輸出的限制，副翼舵面的限幅為±20度。在上述條件下最后得到航向PID控制器參數(shù)為：[1.44.3 1.45]，仿真結(jié)果如圖4。仿真結(jié)果表明：整個(gè)系統(tǒng)在達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間比較短，其所花費(fèi)的上升時(shí)間快，系統(tǒng)輸出振蕩超調(diào)小，達(dá)到系統(tǒng)要求。

圖4 遺傳算法尋優(yōu)PID控制仿真結(jié)果

4 結(jié)論

仿真結(jié)果表明，采用遺傳算法設(shè)計(jì)的PID控制器具有更好的靈活性、適應(yīng)性，穩(wěn)定性并且能夠保證系統(tǒng)的控制效果，提高了系統(tǒng)性能。本文的仿真結(jié)果驗(yàn)證了采用改進(jìn)的遺傳算法的控制器的有效性。

［1］李良.無(wú)人直升機(jī)飛行控制方法及GPS應(yīng)用研究[D].中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究院.

［2］唐永哲.直升機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2000,8.

［3］劉金琨.先進(jìn)PID控制及其MATLAB仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003,1.

［4］周濤.微小型無(wú)人直升機(jī)簡(jiǎn)化模型及控制系統(tǒng)研究[D].浙江大學(xué),2006,5.