四旋翼飛行器的非線性PID姿態(tài)控制研究

郭恒吉 楊樂虎 趙亮

摘 要：非線性PID姿態(tài)控制，是數(shù)字溝通與信息互動(dòng)的主要形態(tài)，它在無人駕駛飛行器中的應(yīng)用最為常見?；诖?，本文結(jié)合四旋翼飛行器設(shè)計(jì)相關(guān)理論，著重對非線性PID姿態(tài)控制情況進(jìn)行探究，以達(dá)到充分發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，促進(jìn)社會(huì)機(jī)械設(shè)備創(chuàng)新開發(fā)的目的。

關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器;非線性PID;姿態(tài)控制

引言：四旋翼飛行器，是現(xiàn)代飛行設(shè)備研究中最具代表的設(shè)備形態(tài)，它具有飛行穩(wěn)定性高、距離遠(yuǎn)等特征。為了對四旋翼飛行器進(jìn)行更加深入的研究，就應(yīng)該對設(shè)備控制技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行把握，進(jìn)而形成當(dāng)代飛行技術(shù)探索的參考理論。

一、四旋翼飛行器機(jī)理論述

四旋翼飛行器，是一種可垂直沉降、懸停、前飛、側(cè)飛、倒飛的飛行輔助設(shè)備[1]。該設(shè)備與普通的載體控制終端監(jiān)控設(shè)備相比，前者可以跟隨目標(biāo)發(fā)生位置上的變化，且飛行器本身所攜帶的四個(gè)機(jī)翼旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，可同時(shí)進(jìn)行動(dòng)力供應(yīng)與調(diào)節(jié)，各部分之間相互獨(dú)立，也相互協(xié)調(diào)，由此，四旋翼飛行器可以同時(shí)進(jìn)行順時(shí)針好逆時(shí)針的旋轉(zhuǎn)調(diào)整，它是一種較協(xié)調(diào)的螺旋式動(dòng)力供應(yīng)結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)機(jī)翼運(yùn)動(dòng)期間所產(chǎn)生的無用動(dòng)力會(huì)相互抵消，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了俯仰和反向扭轉(zhuǎn)力之間的互動(dòng)的做功形態(tài)。

從四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)構(gòu)成視角而言，該設(shè)備內(nèi)部為姿態(tài)控制，外部為位置控制，姿態(tài)控制部分完全依靠內(nèi)部程序進(jìn)行指令傳達(dá);而外部位置控制環(huán)節(jié)，是由遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)輔助給予動(dòng)力控制，這是四旋翼飛行器調(diào)控期間所產(chǎn)生的設(shè)計(jì)點(diǎn)。而非線性PID控制器，就是分別作用于內(nèi)部和外部結(jié)構(gòu)上的程序部分，關(guān)于它的分析我們可從設(shè)備運(yùn)行角度和姿態(tài)控制周期視角上尋求解決方案。

二、四旋翼飛行器的非線性PID姿態(tài)控制

結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)理論，將四旋翼飛行器的非線性PID姿態(tài)控制相關(guān)要點(diǎn)歸納為：

（一）機(jī)體轉(zhuǎn)動(dòng)PID控制

四旋翼飛行器中機(jī)體轉(zhuǎn)動(dòng)控制工作的安排上，完全是按照機(jī)體坐標(biāo)的變化，對四旋翼飛行器的線性變化情況進(jìn)行判定。一方面，飛行器中每一個(gè)旋翼均對應(yīng)一個(gè)單獨(dú)的旋轉(zhuǎn)角，且旋翼與支撐桿之間的夾角大小，在某種狀態(tài)下屬于相同的周期做功，由此，機(jī)體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)四旋翼飛行器的PID控制程序，主要是依靠角的變化對PID控制的可行性加以判斷;另一方面，四旋翼飛行器中四個(gè)旋翼可以看作是多個(gè)獨(dú)立的集合體，無論四個(gè)旋翼如何發(fā)生變化，得到的旋轉(zhuǎn)周期控制數(shù)值都在初期設(shè)備的集合范圍內(nèi)[2]。

假定四旋翼飛行器旋翼分別為A-D，PID在四個(gè)旋翼同時(shí)啟動(dòng)時(shí)，先依據(jù)其旋轉(zhuǎn)角度對其做功的變化范圍進(jìn)行分析，初步得到旋翼做功旋轉(zhuǎn)初期要求后，系統(tǒng)按照設(shè)備啟動(dòng)的具體要求，通過PID非線性操作窗口進(jìn)行動(dòng)力供應(yīng)。其次，將A-D 四個(gè)旋翼控制部分周期旋轉(zhuǎn)做功時(shí)所得到的相關(guān)數(shù)據(jù)，都整合在統(tǒng)一的集合范圍中，最后根據(jù)集合數(shù)字的變化規(guī)律，對四旋翼飛行器的非線性做功情況進(jìn)行機(jī)體轉(zhuǎn)動(dòng)做功協(xié)調(diào)性的判斷。

（二）旋翼PID姿態(tài)控制

旋翼PID動(dòng)態(tài)控制體系的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，一般可采用公式分析法，對旋翼上升動(dòng)力的大小進(jìn)行相應(yīng)判斷。其公式可表示為：T=-βE2，其中“β”為旋翼PID動(dòng)態(tài)控制的強(qiáng)度，“E” 表示旋翼空氣密度的變化情況，“T”表示旋翼在 PID非線性控制狀態(tài)動(dòng)力控制的阻力常數(shù)與尾流變化情況;同時(shí)，四旋翼飛行器飛行期間對旋翼狀態(tài)的考慮，自然也要從旋翼所產(chǎn)生的阻力角度上加以判斷。這一計(jì)算方式可表示為：Q=±gΩ2f3，其中“G”表示旋翼旋轉(zhuǎn)中需要克服的阻力強(qiáng)度，“g”表示平面上升的模型參數(shù)，“Ω”表示機(jī)體旋轉(zhuǎn)自理矩形控制值，“f” 表示機(jī)體運(yùn)行中所承載的負(fù)載力。

假設(shè)四旋翼飛行器中非線性PID控制器測定速率為定值，進(jìn)行四旋翼飛行器的旋翼定位控制時(shí)，就可以按照以上兩個(gè)公示的要求，相應(yīng)的進(jìn)行規(guī)律的把握，而電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方法的分析，自然也需要依靠電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)中的阻力判斷進(jìn)行問題探究，從這一層面而言，四旋翼飛行器中非線性PID設(shè)備做功操作過程的調(diào)控方式，就屬于較常見的姿態(tài)控制把握體系，它為電機(jī)控制結(jié)構(gòu)的靈活運(yùn)轉(zhuǎn)提供了處理保障。

（三）PID周期姿態(tài)控制

四旋翼飛行器中非線性控制結(jié)構(gòu)分析，也可以從周期姿態(tài)四位環(huán)境視角進(jìn)行對應(yīng)判斷。一般來說，可控要素的周期姿態(tài)可在坐標(biāo)范圍內(nèi)進(jìn)行姿四位元數(shù)的控制;同時(shí)，非線性因素也可以結(jié)合PID非線性規(guī)則運(yùn)算輔助法，對四旋翼飛行器做功中的控制因素進(jìn)行分析。

假設(shè)四旋翼飛行設(shè)備周圍的干擾強(qiáng)度為A，則PID周期控制設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，反射控制結(jié)構(gòu)將實(shí)現(xiàn)反向動(dòng)態(tài)干擾調(diào)控，此時(shí)四旋翼飛行器的控制強(qiáng)度一般是按照周期波動(dòng)的規(guī)律發(fā)生變化，這就是我們所說的四旋翼飛行器PID非線性周期控制的表示形式。

（四）PID控制特性把握

四旋翼飛行器內(nèi)部控制程序是一個(gè)閉合的循環(huán)系統(tǒng)，其做功程序的指令轉(zhuǎn)換過程，是一個(gè)無線循環(huán)的周期旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。我們對四旋翼飛行器的特性進(jìn)行把握控制時(shí)，可以按照PID特性指令把握的方式，將所有產(chǎn)生指令變化的數(shù)據(jù)都集中在一處即可。

假設(shè)四旋翼飛行器飛行控制的所有數(shù)值均為穩(wěn)定控制狀態(tài)，則集合中所有的數(shù)據(jù)飛行姿態(tài)的未知常數(shù)變量上下變化差異在1-3之間;若四旋翼飛行器飛行期間PID程序數(shù)值均為不穩(wěn)定狀態(tài)，則集合中所有飛行數(shù)值誤差都要在5-10之間。由此，飛行器控制設(shè)備中所有可控因素的變化，都可以通過PID非線性控制因素的基本變化過程體現(xiàn)出來。

（五）PID控制參數(shù)分析

四旋翼飛行器中PID控制結(jié)構(gòu)的做功傳輸過程，是按照指令參數(shù)、數(shù)據(jù)尋找、數(shù)據(jù)調(diào)控的順序進(jìn)行。如果PID指令參數(shù)分析差異性不大，說明四旋翼飛行器當(dāng)前飛行情況為穩(wěn)定;反之，說明其飛行形態(tài)性不夠，它需要對應(yīng)的進(jìn)行PID運(yùn)行協(xié)調(diào)性綜合判斷。

一方面，四旋翼飛行器中PID非線性控制結(jié)構(gòu)，需通過滾轉(zhuǎn)角、俯仰角、以及偏航角的參數(shù)差進(jìn)行對應(yīng)分析。如果四旋翼飛行器處于常態(tài)飛行狀態(tài)，PID四個(gè)角值的變化差異不大;另一方面，四旋翼飛行器中PID非線性做功情況判斷，需根據(jù)線性姿態(tài)模型中常規(guī)螺旋矩的做功強(qiáng)度進(jìn)行判斷。如果此時(shí)飛行器是在機(jī)體角度速率控制狀態(tài)下自由的進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制，則后續(xù)飛行器中旋翼部分的控制強(qiáng)度就不會(huì)那么大;反之，自由轉(zhuǎn)矩控制旋翼部分的強(qiáng)度可忽略不計(jì)，但旋翼飛行螺旋體周期旋轉(zhuǎn)時(shí)的角速度，也會(huì)隨著旋翼PID非線性控制的需求，實(shí)現(xiàn)周期性旋轉(zhuǎn)和持續(xù)性調(diào)控。 即，四旋翼飛行器中非線性指令調(diào)控方式，也是非線性PID姿態(tài)控制研究的一部分。

結(jié)論：綜上所述，四旋翼飛行器的非線性PID姿態(tài)控制研究，是數(shù)字化技術(shù)在社會(huì)發(fā)展中綜合運(yùn)用的理論歸納。在此基礎(chǔ)上，本文通過機(jī)體轉(zhuǎn)動(dòng)PID控制、旋翼PID姿態(tài)控制、PID周期姿態(tài)控制、PID控制特性把握、PID控制參數(shù)分析，歸納四旋翼飛行器控制技術(shù)要點(diǎn)。因此，個(gè)人關(guān)于數(shù)字技術(shù)的研究，將為數(shù)字技術(shù)探索提供新思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘震，池程芝，張競凱，李鐵穎.基于自抗擾滑模理論的傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器非線性姿態(tài)控制研究[J].航空兵器，2018（06）：44-49.

[2]葉波. 基于線性自抗擾的四旋翼飛行器高度和姿態(tài)控制研究[D].廈門大學(xué)，2018.