系留式多旋翼無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)研究

對系留式多旋翼無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)組成原理、飛行特性、飛控算法三個方面進(jìn)行了闡釋和研究，考慮了系留纜作為不確定因素對于飛行控制的干擾，通過非線性魯棒控制器引入擴(kuò)張狀態(tài)觀測器進(jìn)行抑制，從理論上進(jìn)行了推導(dǎo)論證。

系留式多旋翼無人機(jī)憑借續(xù)航時間長、信息傳輸容量大、使用靈活等特點(diǎn)，正逐漸成為多旋翼無人機(jī)的研究使用熱點(diǎn)，從民用到軍用都得到了大力發(fā)展。其飛行控制系統(tǒng)是整個無人機(jī)的控制、管理和計(jì)算中心。由于使用場景不同及定點(diǎn)懸停、系留供電等特點(diǎn)，其控制技術(shù)與自由飛式多旋翼無人機(jī)既有相同點(diǎn)，也有不同點(diǎn)。

多旋翼無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)組成及原理

1.系統(tǒng)組成

多旋翼無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)主要由飛行控制計(jì)算機(jī)、導(dǎo)航計(jì)算機(jī)、傳感器等組成。飛行控制計(jì)算機(jī)主要完成飛行控制率解算、飛行任務(wù)管理、飛行狀態(tài)監(jiān)視、機(jī)載任務(wù)設(shè)備管理、機(jī)載測控單元通信等功能。導(dǎo)航計(jì)算機(jī)主要用于計(jì)算飛行姿態(tài)信息、傳感器信息融合、導(dǎo)航信息計(jì)算、航路規(guī)劃和優(yōu)化等任務(wù)。傳感器主要包括陀螺、加速度計(jì)、三軸磁力計(jì)、壓力傳感器、溫度傳感器、DGPS/BD接收機(jī)等，系統(tǒng)組成如圖1所示：

2.工作原理

系統(tǒng)操作人員通過操作地面控制站軟件，生成控制指令，傳送給地面數(shù)傳電臺，經(jīng)由鏈路傳輸?shù)綑C(jī)載雙路電臺，進(jìn)而送入飛行控制器當(dāng)中;同時，安裝在無人機(jī)特定位置的傳感器組將信息分別送入飛行控制器。飛行控制器根據(jù)這些信息進(jìn)行計(jì)算，并將生成的控制信號送給無人機(jī)，從而改變無人機(jī)的姿態(tài)、速度和位置，達(dá)到控制無人機(jī)的目的。飛行控制器將采集到的偵察圖像和機(jī)體姿態(tài)、位置等傳感器信息進(jìn)行整理并按照系統(tǒng)的通信約定送給機(jī)載雙路電臺，經(jīng)過鏈路送達(dá)地面控制站進(jìn)行解析并實(shí)時顯示。

飛行控制系統(tǒng)完成的主要功能是與無人機(jī)系統(tǒng)和測量設(shè)備一起構(gòu)成姿態(tài)角和飛行高度的穩(wěn)定回路?？梢园达w行控制與導(dǎo)航計(jì)算機(jī)給定的俯仰角和偏航角飛行，隨著飛行高度和伴隨飛行速度的變化自動改變飛行控制參數(shù)。接收并執(zhí)行遙控指令，改變飛行狀態(tài)，執(zhí)行不同的飛行任務(wù)，采集飛行狀態(tài)參數(shù)及任務(wù)設(shè)備參數(shù)，并將各種參數(shù)編碼后發(fā)送至機(jī)載測控單元。與機(jī)載任務(wù)設(shè)備通信，控制和管理任務(wù)設(shè)備，完成無人機(jī)的應(yīng)急保護(hù)功能，包括應(yīng)急歸航等功能，控制機(jī)載電子系統(tǒng)的檢測。

多旋翼無人機(jī)飛行特性

多旋翼無人機(jī)是一種欠驅(qū)動、強(qiáng)耦合、非線性系統(tǒng)，以經(jīng)典的四旋翼無人機(jī)為例，其飛行時受力分析如圖2所示。

采用歐拉角法建立機(jī)體坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系，機(jī)體坐標(biāo)系ox軸在地理坐標(biāo)系OXZ平面的投影與OX軸的夾角為俯仰角θ，設(shè)Fdrag為阻力，T為前飛拉力，V為最大前飛速度。穩(wěn)定懸停時，各電機(jī)轉(zhuǎn)速相同，臨近電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反。為了實(shí)現(xiàn)水平方向上的前后、左右運(yùn)動，需要改變各電機(jī)的升力配比。例如增加電機(jī)1轉(zhuǎn)速，降低電機(jī)3轉(zhuǎn)速，其它兩個電機(jī)轉(zhuǎn)速不變。則按俯仰運(yùn)動原理，由于電機(jī)升力變化，飛行器要繞Y軸產(chǎn)生一定角度的變化，使得升力在水平方向上產(chǎn)生分力，實(shí)現(xiàn)飛行器在水平方向向前運(yùn)動，反之向后運(yùn)動。

飛行控制算法設(shè)計(jì)

系留式多旋翼無人機(jī)與自由飛式多旋翼無人機(jī)最大的區(qū)別在于線纜對于無人機(jī)系統(tǒng)的限制。在飛行狀態(tài)下線纜的不確定因素導(dǎo)致難以對其進(jìn)行建模分析與仿真計(jì)算，同時線纜的非定常因素也會造成控制系統(tǒng)難以較好地抵抗其帶來的干擾。若無法精確模擬線纜產(chǎn)生的影響，則H∞回路成形魯棒控制算法沒有一個較好的數(shù)學(xué)模型作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，使得控制系統(tǒng)對其非定常干擾僅能依靠算法本身的魯棒特性來抑制，一旦擾動超出其可以承受的范圍，系統(tǒng)便會出現(xiàn)不穩(wěn)定、甚至不可控的狀況。若采用不依賴精確數(shù)學(xué)模型的自抗擾控制或是非線性魯棒控制，雖然控制算法對被控對象的動力學(xué)及運(yùn)動學(xué)行為不要求較為精確的理解，但依然存在擾動超出控制系統(tǒng)可以承受范圍的可能性，這對控制算法調(diào)參提出了較高要求。

為此，在控制算法設(shè)計(jì)上引入基于積分環(huán)節(jié)的擴(kuò)張狀態(tài)觀測器，用于觀測因電纜導(dǎo)致的系統(tǒng)不確定性，同時通過積分的辦法進(jìn)行不確定性補(bǔ)償，以此抑制因電纜的存在而產(chǎn)生的不確定性干擾。

非線性魯棒控制器通過引入擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的辦法，極大的提高了控制系統(tǒng)對自身不確定性以及外部干擾的抑制能力，在系留線纜對飛行器造成干擾，以及因輸能電纜的存在導(dǎo)致整個系統(tǒng)存在非定常不確定性時，非線性魯棒控制器可以依靠自身較強(qiáng)的抗干擾能力抑制住控制系統(tǒng)的不確定擾動。

結(jié)束語

本文通過從硬件組成到算法分析，對系留式多旋翼無人機(jī)飛行控制技術(shù)進(jìn)行了概要分析，在理論上給出了一種克服系留纜對無人機(jī)飛行干擾的抑制辦法。

（參考文獻(xiàn)：略。如有需要，請聯(lián)系編輯部。）