農(nóng)業(yè)四旋翼飛行器滑膜算法的研究

方雅仟?馬靜?鄒治風?齊明洋

摘 要：農(nóng)業(yè)四旋翼飛行器是一種能夠垂直起降的多旋翼飛行器，它十分適合農(nóng)作物偵查，避障，航拍，藥物噴撒等任務。目前正在研發(fā)的動力噴霧機，農(nóng)藥噴霧機，在農(nóng)業(yè)去蟲害方面有著廣泛的應用前景。但是對于四旋翼飛行器穩(wěn)定性控制難度較大，難點在于飛行器具有欠驅動、耦合性強，非線性以及多變量等比較復雜的特性。正是這些復雜特性，才使四旋翼飛行器更具有研究價值。本文主要研究滑膜控制算法對四旋翼飛行器的控制，并在這種控制算法的基礎之上加以改進，最后得到準確的控制效果。

關鍵詞：四旋翼飛行器；滑膜控制算法；非線性；欠驅動；強耦合

四旋翼飛行器與其他飛行器相比，優(yōu)勢在于結構較為簡單，只需要通過四個馬達的轉速即可實現(xiàn)控制，并且具有精確的可操控性能，可以在較小的空間內實現(xiàn)起飛、翻轉、飛行和著陸等操作，從而飛至離目標更近的區(qū)域，并且不會發(fā)生碰撞。研究者對四旋翼飛行器控制算法的不斷探索和改進，使飛行器的飛行技術更加全面，同時擁有更加廣泛的發(fā)展前景。目前常用的飛控算法有PID算法，解耦控制、模糊控制等，飛控算法主要用于改善被控對象的飛行操縱性和系統(tǒng)穩(wěn)定性。根據(jù)以上研究總結可知，與其他飛控算法相比，滑膜控制在性能水平設計、不確定性和工程應用方面具有獨特的優(yōu)勢，而且滑膜控制器的設計流程比較清晰，控制性能良好且相對容易，因而適用于線性與非線性，確定性與不確定性等各類控制系統(tǒng)。因此本論文對這種算法在農(nóng)業(yè)四旋翼飛行控制的應用方面進行設計與研究。

一、滑膜控制

1.滑膜控制簡介

滑膜控制（又稱滑膜變結構控制）是一種非線性控制方法，它和其他控制算法的區(qū)別在于可以在控制過程中改變控制器的結構。由于滑膜控制的不連續(xù)性，被控制系統(tǒng)可以在某種條件下依照設定好的軌跡做滑膜運動，如果系統(tǒng)狀態(tài)進入到滑動膜態(tài)后可以獲取到控制目標?；に惴ǖ膬?yōu)點是對滿足匹配系統(tǒng)參數(shù)系統(tǒng)的外界干擾和不確定性具有魯棒性，該方法對非線性系統(tǒng)的控制具有很好的控制效果。

2.滑膜控制系統(tǒng)設計步驟

（1）需要確定滑模面。因為滑模面代表了系統(tǒng)的理想動態(tài)特性，滑模面確定滑動模態(tài)就會確定且有良好的品質。

（2）滑膜控制器設計。設計滑膜控制器，滿足到達條件，從而使趨近運動在一定時間內到達滑模面，并且在這個過程中速度快，抖振小。

滑模控制量是由開關控制量和等效控制量組成。等效控制量主要是讓s = 0。開關控制量是讓系統(tǒng)到達滑模面，但是也會產(chǎn)生抖振。

二、滑膜控制的思想

滑模控制的本質在于將高階系統(tǒng)分解為兩個低階子系統(tǒng)。假設原系統(tǒng)為m輸入n階系統(tǒng)，通過設計切換函數(shù)s，（x，t），i=1，2…m，將原系統(tǒng)分解為一個m階的關于切換函數(shù)的方程，和一個n-m階的關于原系統(tǒng)狀態(tài)變量的滑動模態(tài)方程，并通過該降階的滑動模態(tài)方程完全表征系統(tǒng)的動態(tài)特性。再通過控制律的設計，使得系統(tǒng)軌跡能夠在有限時間內進入并維持在切換面上。為了闡明滑模變結構控制的思想，同時結合控制器設計的實際情況，考慮如下線性時不變單輸入系統(tǒng)：

x =Ax+C，x∈Rn，u∈R

還要確定線性切換函數(shù) S（x）=Cx，s∈R，還有變結構控制率u（x）；

并且u+（x）≠u-（x），要讓控制系統(tǒng)符合下列條件：首先切換面是滑動模態(tài)區(qū)，滑動模態(tài)逐漸穩(wěn)定而且品質良好，與此同時符合滑動模態(tài)到達條件。

1.滑動模態(tài)存在條件

滑動模態(tài)存在條件由Utikin提出：

這個式子也被叫做局部到達條件。

2.滑動模態(tài)到達條件

系統(tǒng)的初始狀態(tài)出現(xiàn)在狀態(tài)空間的任意位置時，此刻要保證系統(tǒng)可以從初始位置到達切換面，從而進入滑動模態(tài)。

不等式形式的到達條件為：

ss <0

此時切換函數(shù)過原點并且可微，此時的到達條件稱為廣義滑膜。

李雅普諾夫函數(shù)到達條件：

遵循一般趨近律運動的到達條件：

s =-εsgn（s）-f（s），ε>0

其中， f（0）=0， 當 s≠0時sf（s）>0。

通過分析，滑膜控制中系統(tǒng)的運動類型有兩種：第一種是到達運動，也叫趨近運動，第二種是滑膜運動，也叫滑動模態(tài)。對應的，滑膜控制器的設計分析也有兩個方面：切換函數(shù)的選取和滑膜控制律的確定。切換函數(shù)的合理性能夠使滑動模態(tài)具有較好的性能指標。選取滑膜控制率是為了保證系統(tǒng)從任意狀態(tài)出發(fā)都可以到達切換面，從而形成滑動模態(tài)。

三、結語

本文給出了基于滑膜算法控制的四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)的研究，介紹了滑?？刂坪湍Ｐ蛥⒖蓟た刂扑惴ǖ幕舅枷?，同時也介紹了滑?？刂葡到y(tǒng)的設計，但是研究的內容還不夠深入，其中還有很多內容需要在以后的研究中改進和提高，滑?？刂扑惴梢宰屴r(nóng)業(yè)四旋翼飛行器的應用價值更高，應用范圍也更加廣闊。

參考文獻：

[1]劉金錕，孫富春.滑模變結構控制理論及其算法研究與進展[J].控制理論與應用，2007，24（3）：407-418.

[2]曾慶華.無人機控制技術與工程[M].國防工業(yè)出版社，2011.

作者簡介：方雅仟，學歷：在讀本科，研究方向：智能控制與制造。

馬靜，鄒治風；吉林農(nóng)業(yè)科技學院電氣工程及其自動化系在讀學生。

*通訊作者：齊明洋，男，碩士，助教，吉林農(nóng)業(yè)科技學院教師，研究方向：新能源與智能控制技術。

基金項目：本文為吉林省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)資助項目（編號：2017035）。endprint