六旋翼飛行器目標(biāo)搬移控制算法研究

喻學(xué)濤

摘 要： 針對(duì)傳統(tǒng)六旋翼飛行器目標(biāo)搬移控制算法能夠?qū)δ繕?biāo)搬移控制計(jì)算，但存在計(jì)算數(shù)據(jù)穩(wěn)定性差的問(wèn)題，提出六旋翼飛行器目標(biāo)搬移控制算法。使用飛行動(dòng)力學(xué)理論，確立穩(wěn)定常量，為控制計(jì)算提供穩(wěn)定數(shù)據(jù)；將飛行控制數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)自適應(yīng)處理，利用數(shù)據(jù)模糊性設(shè)定數(shù)據(jù)極限，約束數(shù)據(jù)躍遷；使用模糊條件對(duì)重心參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)約束，保證控制變量的穩(wěn)定性，通過(guò)多變量轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)目標(biāo)搬移控制計(jì)算。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的目標(biāo)搬移穩(wěn)定性算法能夠控制六旋翼飛行器穩(wěn)定搬移飛行，無(wú)搬移晃動(dòng)。

關(guān)鍵詞： 六旋翼飛行器； 目標(biāo)搬移； 動(dòng)力學(xué)； 重心控制； 自適應(yīng)數(shù)據(jù)處理； 穩(wěn)態(tài)約束

中圖分類號(hào)： TN876?34； TN913 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）08?0132?04

Abstract： The conventional six?rotor aircraft target moving control algorithm can calculate the target moving control， but there exists the problem of poor stability for data computation. Therefore， the six?rotor aircraft target moving control algorithm is proposed. The stability constant is determined by using the flight dynamics theory to provide stable data for control calculation. Steady?state adaptive processing is performed for flight control data， and data fuzziness is used to set data limit and constrain data transition. The fuzzy conditions are used to perform steady?state constraints of gravity center parameters and guarantee the stability of control variables. Multivariate conversion is employed to realize target moving control calculation. The simulation experiment results show that the designed target moving stability algorithm can control the six?rotor aircraft for stable moving and flying， and there exists no moving shake.

Keywords： six?rotor aircraft； target moving； dynamics； gravity center control； adaptive data processing； steady?state constraint

0 引 言

六旋翼飛行器具有機(jī)動(dòng)性能強(qiáng)、體積小的優(yōu)點(diǎn)，可以執(zhí)行不同種類的目標(biāo)搬移任務(wù)，故得到廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)六旋翼飛行器控制算法能夠?qū)Π嵋颇繕?biāo)進(jìn)行控制計(jì)算，但存在計(jì)算穩(wěn)定性差的問(wèn)題。本文提出六旋翼飛行器目標(biāo)搬移控制算法，對(duì)飛行器進(jìn)行力學(xué)分析，通過(guò)飛行動(dòng)力學(xué)確立穩(wěn)定常量，穩(wěn)定數(shù)據(jù)能夠?yàn)榭刂朴?jì)算提供基本參數(shù)[1]。對(duì)飛行控制數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)自適應(yīng)處理，調(diào)整飛行數(shù)據(jù)的控制能力，使用數(shù)據(jù)模糊性設(shè)定數(shù)據(jù)極限，防止數(shù)據(jù)發(fā)生躍遷。利用模糊條件對(duì)重心參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)約束，保證控制變量的穩(wěn)定性，通過(guò)多變量轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)目標(biāo)搬移控制計(jì)算。為了保證設(shè)計(jì)的有效性，通過(guò)仿真實(shí)結(jié)果表明，本文提出的目標(biāo)搬移控制算法，在起降階段、控制飛行階段都具有良好的穩(wěn)定性，說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的控制方法計(jì)算穩(wěn)定。

1 確立穩(wěn)定常量

假設(shè)飛行器將搬移目標(biāo)從A點(diǎn)搬移至B點(diǎn)，有兩種搬移控制路線，即按照ACB搬移路徑和按照ADEB搬移路徑[2]，如圖1所示。傳統(tǒng)采用ADEB搬移路徑，但由于D點(diǎn)和E點(diǎn)是直角轉(zhuǎn)變，數(shù)據(jù)突變較大，會(huì)造成搬移控制計(jì)算的數(shù)據(jù)震顫。本文飛行器采用ACB搬移路徑，避免出現(xiàn)搬移路徑直角[3]，減少搬移算法中的數(shù)據(jù)突變。根據(jù)ACB搬移方式，確立穩(wěn)定常量流程如下。

確立穩(wěn)定常量首先確定飛行動(dòng)力參數(shù)，即向上飛行動(dòng)力參數(shù)。設(shè)飛行器起降角度為θ，飛行速度為v，飛行最高點(diǎn)為h，飛行器與搬移目標(biāo)質(zhì)量為m，向上加速度為a，空氣阻力為v0，空中直線飛行距離為s。則飛行器飛行至高度為h時(shí)，根據(jù)受力分析向上飛行動(dòng)力參數(shù)為：

將六旋翼飛行器看作一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，其搬移過(guò)程主要包括：克服重力斜拋物線上升階段、空中直線運(yùn)行階段和快速下降階段[4]。分析搬移各個(gè)階段，飛行動(dòng)力參數(shù)與穩(wěn)定常量成比例關(guān)系，將計(jì)算的飛行動(dòng)力參數(shù)乘以飛行矢量便可以得到穩(wěn)定常量，穩(wěn)定常量是目標(biāo)搬移控制計(jì)算中的計(jì)算數(shù)據(jù)。

2 目標(biāo)搬移控制算法的構(gòu)建

通過(guò)模糊自適應(yīng)機(jī)制，對(duì)飛行器數(shù)據(jù)穩(wěn)定性狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，隨著目標(biāo)的變化改變旋翼飛行控制參數(shù)[5]，實(shí)現(xiàn)飛行器的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性調(diào)整控制。使用模糊控制模塊對(duì)搬移目標(biāo)控制過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)自推導(dǎo)[6]，避免控制計(jì)算過(guò)程的數(shù)據(jù)發(fā)生動(dòng)蕩，提高搬移控制計(jì)算的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)的目標(biāo)搬移控制算法總體計(jì)算流程如圖2所示。

目標(biāo)搬移控制計(jì)算在自適應(yīng)控制模塊中進(jìn)行的，利用動(dòng)力學(xué)參數(shù)作為控制計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)預(yù)知飛行過(guò)程的運(yùn)行參數(shù)，將飛行參數(shù)與動(dòng)力學(xué)參數(shù)相結(jié)合，自適應(yīng)控制模塊中存在躍遷數(shù)據(jù)。因此，會(huì)產(chǎn)生一定的計(jì)算差值，為了避免數(shù)據(jù)躍遷的發(fā)生[7]，將轉(zhuǎn)換的控制數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的自適應(yīng)處理，自適應(yīng)處理過(guò)程實(shí)際是對(duì)上述數(shù)據(jù)施加一個(gè)極限屬性，在極限的約束下，控制數(shù)據(jù)無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)躍遷，保證控制數(shù)據(jù)在計(jì)算過(guò)程中的穩(wěn)定性。

飛行階段目標(biāo)搬移計(jì)算，將六旋翼飛行器看作質(zhì)點(diǎn)，以質(zhì)點(diǎn)重心為原點(diǎn)，建立數(shù)據(jù)代換公式，通過(guò)角度偏航數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊控制數(shù)據(jù)的確認(rèn)，使用控制規(guī)則作為控制計(jì)算的約束。將上述的微差數(shù)據(jù)以代換的形式進(jìn)行約簡(jiǎn)，把控制計(jì)算數(shù)據(jù)約簡(jiǎn)到表達(dá)形式以內(nèi)，方式數(shù)據(jù)隨著飛行器的力學(xué)改變產(chǎn)生的數(shù)據(jù)更替，進(jìn)一步防止數(shù)據(jù)動(dòng)蕩的發(fā)生。數(shù)據(jù)替換過(guò)程中由原始模糊數(shù)據(jù)NM替換成新數(shù)據(jù)PM時(shí)，需要一定的轉(zhuǎn)化相變，模糊轉(zhuǎn)化相變?nèi)绫?所示。

與飛行階段不同，飛行器起降階段對(duì)搬移目標(biāo)進(jìn)行搬移時(shí)，飛行器會(huì)經(jīng)歷超重失重階段，因此飛行器的重心會(huì)發(fā)生一定數(shù)據(jù)偏移[9]。為了避免數(shù)據(jù)偏移，本文采用模糊決策原則進(jìn)行綜合處理。六旋翼飛行器的橫截面示意圖如圖3所示，圖中將飛行器看作是圓形。

重心參數(shù)發(fā)生數(shù)據(jù)偏移后，按照飛行階段數(shù)據(jù)穩(wěn)定性控制，會(huì)導(dǎo)致飛行器失衡。因此，對(duì)重心數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊化處理，將超重階段數(shù)據(jù)進(jìn)行下極限處理，失重階段進(jìn)行上極限處理。判定極限過(guò)程中，使用降階的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化[10]。

確定飛行階段與起飛階段的基本數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入控制算法中，模糊數(shù)據(jù)的表達(dá)形式是相同的，使用條件約簡(jiǎn)能夠做到細(xì)化處理，并增加計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。模糊性能夠克服搬移目標(biāo)承重?cái)?shù)據(jù)的變化，將多變量轉(zhuǎn)化為單一變量的計(jì)算，極大地節(jié)約計(jì)算的步驟，降低計(jì)算過(guò)程的數(shù)據(jù)波動(dòng)程度。本文設(shè)計(jì)的目標(biāo)搬移控制計(jì)算，控制參量公式如下：

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選擇一塊傾斜度為15°的空地作為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，選擇A，B，C，D，E五個(gè)位置點(diǎn)作為傳統(tǒng)六旋翼飛行器與本文設(shè)計(jì)的六旋翼飛行器，并提供起降、目標(biāo)搬移測(cè)試。A至B距離為0.25 km，為上坡直線測(cè)試；B至C距離為0.25 km，為斜波障礙物測(cè)試；C至D距離為1 km，為下坡快速起降測(cè)試；D至E距離為2 km，為上坡S彎飛行快速起降測(cè)試。六旋翼飛行器搬移不同質(zhì)量的目標(biāo)，進(jìn)行位置A，B，C，D，E點(diǎn)起落搬移。實(shí)驗(yàn)搬移目標(biāo)質(zhì)量采用0.25 kg，2 kg，5 kg，10 kg，20 kg五種。利用傳統(tǒng)飛行器目標(biāo)搬移控制算法與本文設(shè)計(jì)目標(biāo)搬移控制算法進(jìn)行目標(biāo)搬移測(cè)試。

3.2 水平穩(wěn)定性測(cè)試

使用傳統(tǒng)六目標(biāo)搬移控制算法控制的六旋翼飛行器與本文設(shè)計(jì)的目標(biāo)搬移控制算法控制的六旋翼飛行器，沿A，B，C，D，E固定路徑進(jìn)行不同質(zhì)量的搬移，進(jìn)行水平穩(wěn)定性測(cè)試。每組飛行器抓取同質(zhì)量搬移目標(biāo)飛行20次，通過(guò)水平穩(wěn)定性偏差計(jì)算，除以飛行試驗(yàn)次數(shù)20，水平穩(wěn)定性用SPW表示。其中：SPW高于90，代表飛行器水平穩(wěn)定性高，能夠達(dá)到精準(zhǔn)飛行；SPW高于80，代表飛行器水平穩(wěn)定性較高，能夠達(dá)到準(zhǔn)確飛行；SPW高于60，代表飛行器水平穩(wěn)定性良好，但存在一定偏差飛行；SPW低于60，代表飛行器水平穩(wěn)定性較差，飛行存在大量偏移；SPW低于40，代表飛行器水平穩(wěn)定性差，搬移此目標(biāo)不適合飛行。得到相應(yīng)飛行器的SPW曲線，如圖4所示。

分析飛行SPW曲線，傳統(tǒng)控制算法控制的六旋翼飛行器對(duì)搬移目標(biāo)質(zhì)量敏感，隨搬移目標(biāo)質(zhì)量的提升，SPW整體下降。在搬移0.25 kg目標(biāo)時(shí)，直線測(cè)試階段具有精準(zhǔn)的SPW，但隨質(zhì)量的提高，SPW不斷降低，穩(wěn)定性較差。斜波障礙物測(cè)試中，搬移目標(biāo)質(zhì)量相同，SPW呈小趨勢(shì)降低，對(duì)目標(biāo)對(duì)象0.25 kg進(jìn)行搬移時(shí)，SPW從97降低到92，2 kg搬移目標(biāo)從85降低到75，不同搬移目標(biāo)質(zhì)量，平均下降10?？焖倨鸾禍y(cè)試階段，在搬移0.25 kg目標(biāo)時(shí)，SPW較直線測(cè)試降低10，2 kg搬移目標(biāo)SPW達(dá)到警戒水平50，大于2 kg的搬移目標(biāo)飛行存在大量偏移不適合飛行。S彎飛行快速起降測(cè)試中，只有0.25 kg搬移目標(biāo)時(shí)能夠進(jìn)行有效搬移。

本文設(shè)計(jì)控制算法控制的飛行器，通過(guò)對(duì)不同質(zhì)量、不同飛行方式的測(cè)試，證明了其具有良好的水平穩(wěn)定性，搬移目標(biāo)質(zhì)量對(duì)SPW影響較弱，相同飛行環(huán)境下，0.25 kg與20 kg目標(biāo)質(zhì)量，控制力最大差為10，2 km S彎飛行快速起降測(cè)試中，搬移20 kg，其操控可達(dá)82。說(shuō)明本文設(shè)計(jì)控制算法具有較高的水平穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的六旋翼飛行器目標(biāo)搬移控制算法，使用飛行動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)模糊性對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行約束，利用變量轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)控制計(jì)算。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，設(shè)計(jì)的六旋翼飛行器目標(biāo)搬移控制算法能夠?qū)︼w行器進(jìn)行穩(wěn)定控制。

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