無(wú)人飛艇跟蹤控制技術(shù)研究

盧歡

摘 要：隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)人飛艇在實(shí)際狀況中，也有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，而對(duì)其進(jìn)行有效的跟蹤控制則是保證無(wú)人飛艇充分發(fā)揮自身作用的保障。在這種背景下，文章首先概述了無(wú)人飛艇跟蹤控制技術(shù)應(yīng)用的基本思路，進(jìn)而分析了無(wú)人飛艇跟蹤控制的系統(tǒng)架構(gòu)，最后探討了模糊控制技術(shù)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：無(wú)人飛艇；跟蹤控制；基本思路；架構(gòu)；模糊控制

1 無(wú)人飛艇跟蹤控制技術(shù)應(yīng)用的基本思路

人類科技文明的進(jìn)步一日千里，智能飛行物的夢(mèng)想正逐步實(shí)現(xiàn)。有朝一日，我們可能只要輸入目的地，智能飛行物就能運(yùn)送我們經(jīng)由最佳路徑抵達(dá)。如今，隨著無(wú)人飛艇在測(cè)繪、電力巡線、礦物勘探等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，智能飛行的設(shè)想成功應(yīng)用到無(wú)人飛艇后，將使無(wú)人飛艇的發(fā)展起到極大的推動(dòng)作用和技術(shù)革命。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢(mèng)想，必須結(jié)合各種技術(shù)，包括導(dǎo)航、通訊、機(jī)構(gòu)、控制等，經(jīng)過(guò)整合，方能完成自動(dòng)導(dǎo)引無(wú)人飛艇的設(shè)計(jì)。在具體的跟蹤控制技術(shù)而言，應(yīng)從最基本的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)著手，逐次增加馬達(dá)、傳感器、控制器等裝置，從而能夠保障無(wú)人飛艇能在避開環(huán)境中障礙物的條件下，實(shí)時(shí)追蹤移動(dòng)的目標(biāo)。

文章將目標(biāo)追蹤分成兩種狀況處理：一種是無(wú)障礙物的環(huán)境，可以用簡(jiǎn)單的導(dǎo)引率實(shí)現(xiàn)；另一種是有障礙物存在時(shí)，采用路徑規(guī)劃法設(shè)計(jì)最佳路徑，由于目標(biāo)物隨時(shí)在移動(dòng)，設(shè)計(jì)的路徑起點(diǎn)、終點(diǎn)也會(huì)隨時(shí)改變，因此，必須動(dòng)態(tài)更新所欲追蹤的路徑，實(shí)時(shí)處理各種突發(fā)的狀況，直到飛艇追到目標(biāo)物。完成實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)追蹤路徑后，可利用GPS 及電子羅盤分別判定飛艇的位置與姿態(tài)。為精確得到飛艇位置，必須采用CDGPS，使得定位精度達(dá)到公分級(jí)，其中無(wú)線通訊傳輸?shù)脑O(shè)備是不可或缺的。有了飛艇的狀態(tài)，計(jì)算其與預(yù)定路徑的差值后，最后可采用模糊控制理論設(shè)計(jì)輸出信號(hào)，進(jìn)而達(dá)成無(wú)人飛艇追蹤控制的目的。

2 無(wú)人飛艇跟蹤控制的系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 基本構(gòu)成

整個(gè)無(wú)人飛艇追蹤系統(tǒng)可分為三個(gè)部分：主控站、無(wú)人飛艇、目標(biāo)物。通過(guò)結(jié)合全球定位系統(tǒng)（GPS）、電子羅盤來(lái)決定飛艇與目標(biāo)物的位置及飛艇的姿態(tài)，且利用無(wú)線串行端口通訊作為各部分間數(shù)據(jù)的傳遞與聯(lián)系。而各部分的工作內(nèi)容如下。

一是主控站，包括：命令飛艇行進(jìn)或強(qiáng)迫停止；接收飛艇所傳回來(lái)的資料，包含飛艇、目標(biāo)物目前的位置數(shù)據(jù)，并將位置數(shù)據(jù)顯示于屏幕上；在完成實(shí)驗(yàn)后通過(guò)無(wú)線串行端口通訊，以手控方式讓飛艇回到起點(diǎn)。二是無(wú)人飛艇，包括：設(shè)計(jì)飛艇的最佳行進(jìn)路徑；接收參考點(diǎn)的GPS載波相位觀測(cè)量與目標(biāo)物的GPS載波相位觀測(cè)量，并配合飛艇本身所接收的載波相位觀測(cè)量來(lái)完成載波相位三次差分定位（CDGPS）的解算，以求出飛艇和目標(biāo)物的物置；將飛艇的位置及姿態(tài)和參考路徑做比較，再把誤差傳入模糊控制器并算出車輪轉(zhuǎn)向的脈波量，通過(guò)馬達(dá)控制卡傳送訊號(hào)給馬達(dá)以操作飛艇的運(yùn)動(dòng)；接收主控站的控制訊號(hào)，并把飛艇及目標(biāo)物的位置數(shù)據(jù)傳回主控站。三是目標(biāo)物，包括：以人為的手動(dòng)方式在平面上任意移動(dòng)；傳送GPS載波相位觀測(cè)量回?zé)o人飛艇上。由以上每個(gè)部分的工作內(nèi)容可知，無(wú)人飛艇在整個(gè)系統(tǒng)中占有極大的部份。飛艇的各種運(yùn)動(dòng)將由上面的PC，依據(jù)傳感器所接收到的信息，經(jīng)由解算之后來(lái)決定。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

飛艇的位置和姿態(tài)由GPS接收機(jī)及電子羅盤儀得知后，再把兩者的資料傳入飛艇上的PC，并和由PC的導(dǎo)航器所設(shè)計(jì)的參考路徑相比較，而參考路徑的設(shè)計(jì)是依據(jù)飛艇和目標(biāo)物的位置來(lái)設(shè)計(jì)。飛艇和導(dǎo)航器所設(shè)計(jì)的參考路徑誤差為模糊控制器的輸入變量，經(jīng)過(guò)模糊控制器解算出來(lái)后的轉(zhuǎn)動(dòng)控制量，通過(guò)馬達(dá)控制卡傳送適當(dāng)?shù)拿}波量給驅(qū)動(dòng)器，再通過(guò)驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)以完成目標(biāo)物的追蹤控制。

3 模糊控制技術(shù)的應(yīng)用

3.1 模糊化方法

模糊化的方法很多，一般常見的有離散形隸屬函數(shù)、梯形隸屬函數(shù)、鐘形隸屬函數(shù)及三角形屬函數(shù)。例如，高斯函數(shù)與三角函數(shù)可分別表示如下：

高斯函數(shù)型： 三角形：

其中σ為高斯函數(shù)的變量值，其值大小決定高斯函數(shù)的寬度。

文章中采用三角形隸屬函數(shù)將輸入變量模糊化，底下將說(shuō)明其模糊化方法。為便于說(shuō)明，將三角形隸屬函數(shù)重新整理，當(dāng)輸入x 為下列不同的數(shù)值時(shí)，其所對(duì)應(yīng)的模糊化輸出如下：

（1）當(dāng)輸入x為0時(shí)，其所對(duì)應(yīng)的模糊化輸出μx=1為最大；

（2）當(dāng)輸入x為-5 或5時(shí)，其對(duì)應(yīng)的模糊化輸出μx=0為最??；

（3）當(dāng)輸入x為-2時(shí)，其對(duì)應(yīng)的模糊化輸出為：

？滋x=-2=■（-2）+1=0.6

（4）當(dāng)輸入x為2時(shí)，其對(duì)應(yīng)的模糊化輸出為：

？滋x=-2=■（-2）+1=0.6

3.2 模糊規(guī)則

模糊規(guī)則庫(kù)通常須具有有下列幾項(xiàng)特性：（1）一個(gè)模糊規(guī)則庫(kù)有多個(gè)模糊推理句。若每一個(gè)x均可對(duì)應(yīng)一個(gè)或一個(gè)以上的推理句，使模糊集合均是存在的，則此規(guī)則庫(kù)稱為“完全的”。（2）若沒(méi)有出現(xiàn)“任何兩個(gè)規(guī)則有相同的前命題，而有不同的結(jié)果命題”的情況，則此規(guī)則庫(kù)稱為“一致的”。（3）若兩條相鄰規(guī)則的結(jié)果命題有重疊區(qū)域，則此規(guī)則庫(kù)稱為“連續(xù)的”。另外，模糊推論引擎又分為整合型推論引擎及個(gè)別式推論引擎，其差別在于整合型推論引擎先整合模糊規(guī)則才進(jìn)行輸入與輸出的推論，個(gè)別式推論引擎則是先將輸入放進(jìn)每一條規(guī)則推得輸出后，再將所有輸出進(jìn)行并集或交集運(yùn)算以得到最后的輸出。

上述的曼達(dá)尼推論引擎較為簡(jiǎn)單，有利于PLC的程序規(guī)劃，因此文章中以曼達(dá)尼法作為推論引擎。曼達(dá)尼推論引擎計(jì)算過(guò)程可分概為以下三個(gè)步驟：首先針對(duì)輸入變量e和Δe分別計(jì)算出各個(gè)隸屬函數(shù)的歸屬值，并和所對(duì)應(yīng)的隸屬函數(shù)值作AND運(yùn)算，再取其最小值，以求得所對(duì)應(yīng)的隸屬函數(shù)值；將所對(duì)應(yīng)的隸屬函數(shù)與THEN對(duì)應(yīng)的輸出做積分運(yùn)算并取其最小值，即可得到模糊規(guī)則庫(kù)中各隸屬函數(shù)的歸屬值；最后將所有的歸屬值做OR運(yùn)算，并取其最大值即可得到推論輸出。

3.3 模糊控制器程序的設(shè)計(jì)流程

模糊控制器程序設(shè)計(jì)流程可分為以下幾個(gè)步驟：步驟一：確知位置誤差及位置誤差變化量數(shù)值，并根據(jù)模糊隸屬函數(shù)將位置誤差及位置誤差變化量模糊化。步驟二：根據(jù)輸入與輸出模糊區(qū)間及模糊推論引擎建立模糊規(guī)則庫(kù)，系統(tǒng)共建立25條模糊規(guī)則，其中下標(biāo)代表模糊規(guī)則編號(hào)。步驟三：計(jì)算影響系統(tǒng)隸屬函數(shù)的適合程度。步驟四：根據(jù)步驟二所規(guī)劃出的模糊規(guī)則庫(kù)找出對(duì)應(yīng)的輸出量。步驟五：根據(jù)法則將設(shè)備上輸送帶距離量化成數(shù)值并進(jìn)行解模糊化。

文章中采用重心解模糊化法。根據(jù)上述步驟，若輸出量為正的控制信號(hào)，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)增加脈沖數(shù)至PLC，使輸送帶往前移動(dòng)一個(gè)修正量；反之，若輸出量為負(fù)的控制信號(hào)，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)減少脈沖數(shù)至PLC，使輸送帶往后移動(dòng)一個(gè)修正量。

參考文獻(xiàn)

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