淺談無(wú)人機(jī)的控制的方法及應(yīng)用

摘要：這些年來(lái)，無(wú)人機(jī)的研制取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，它優(yōu)異的功能和性能被應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域。無(wú)人機(jī)有著廣闊的發(fā)展前景，其控制方法的研究和探討也很重要，本文就此展開(kāi)論述，進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī);應(yīng)用現(xiàn)狀;控制

一、特征

（一）優(yōu)點(diǎn)

與有人飛機(jī)相比，無(wú)人機(jī)有著很多突出優(yōu)點(diǎn)。由于無(wú)人機(jī)上不直接搭載飛行員，避免了人員的犧牲。無(wú)人機(jī)不需要考慮人的生理?xiàng)l件、承受能力、工作時(shí)間等因素，不需要安裝生命保障系統(tǒng)，這就大大減少了無(wú)人機(jī)的制造成本，減輕了無(wú)人機(jī)的整體質(zhì)量，減小了無(wú)人機(jī)的整體尺寸。同時(shí)，在各種濃煙、濃霧﹑高寒等復(fù)雜環(huán)境中，無(wú)人機(jī)依然可以執(zhí)行任務(wù)，這就使無(wú)人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域得到進(jìn)一步拓展。此外，無(wú)人機(jī)還具有易于起降、操作簡(jiǎn)單、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)。

（二）缺點(diǎn)

無(wú)人機(jī)也有其缺點(diǎn)所在，因無(wú)人機(jī)質(zhì)量相對(duì)較輕，所以其承載能力有限，且抗風(fēng)能力也相對(duì)較差，如遇特殊天氣，無(wú)人機(jī)容易偏離航線，而靠預(yù)裝程序控制的無(wú)人機(jī)，其智能性、靈活性差，無(wú)人機(jī)難以應(yīng)對(duì)這些意外情況。同時(shí)，受無(wú)線電遙控的無(wú)人機(jī)，一旦受到對(duì)方無(wú)線電的干擾，容易出現(xiàn)敵我不識(shí)，這對(duì)于軍用無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一個(gè)致命缺點(diǎn)。此外，目前無(wú)人機(jī)還具有可靠性不高、飛行速度較慢等缺點(diǎn)。

二、控制方法及應(yīng)用

無(wú)人機(jī)的飛行控制是無(wú)人機(jī)研究領(lǐng)域主要問(wèn)題之一。傳統(tǒng)的控制方法主要集中于姿態(tài)和高度的控制，除此之外還有一些用來(lái)控制速度、位置、航向、3D軌跡跟蹤控制。

（一）線性飛行控制方法

1、PID控制屬于傳統(tǒng)控制方法，是目前最成功、用的最廣泛的控制方法之一。其控制方法簡(jiǎn)單，無(wú)需前期建模工作，參數(shù)物理意義明確，適用于飛行精度要求不高的控制。

2、H∞屬于魯棒控制的方法。經(jīng)典的控制理論并不要求被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型來(lái)解決多輸入多輸出非線性系統(tǒng)問(wèn)題。魯棒控制可以很好解決因干擾等因素引起的建模誤差問(wèn)題，但它依賴于高性能的處理器，同時(shí)，由于是頻域設(shè)計(jì)方法，調(diào)參也相對(duì)困難。

3、LQR是被運(yùn)用來(lái)控制無(wú)人機(jī)的比較成功的方法之一，其對(duì)象是能用狀態(tài)空間表達(dá)式表示的線性系統(tǒng)，目標(biāo)函數(shù)為是狀態(tài)變量或控制變量的二次函數(shù)的積分。而且Matlab軟件的使用為L(zhǎng)QR的控制方法提供了良好的仿真條件，更為工程實(shí)現(xiàn)提供了便利。

4、增益調(diào)度法解決系統(tǒng)非線性的問(wèn)題。該算法由兩大部分組成，第一部分主要完成事件驅(qū)動(dòng)，第二部分為誤差驅(qū)動(dòng)。該控制方法在旋翼無(wú)人機(jī)的垂直起降、定點(diǎn)懸停及路徑跟蹤等控制上有著優(yōu)異的性能。

（二）基于學(xué)習(xí)的飛行控制方法

基于學(xué)習(xí)的飛行控制方法的特點(diǎn)就是無(wú)需了解飛行器的動(dòng)力學(xué)模型，只要一些飛行試驗(yàn)和飛行數(shù)據(jù)。

1、模糊控制方法是解決模型不確定性的方法之一，在模型未知的情況下來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的控制。

2、基于人體學(xué)習(xí)的方法是美國(guó)MIT的科研人員為了尋找能更好地控制小型無(wú)人飛行器的控制方法，從參加軍事演習(xí)進(jìn)行特技飛行的飛機(jī)中采集數(shù)據(jù)，更好地理解無(wú)人機(jī)的輸入序列和反饋機(jī)制。這種方法已經(jīng)被運(yùn)用到小型無(wú)人機(jī)的自主飛行中。

3、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法經(jīng)典PID控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、易于實(shí)現(xiàn)，但當(dāng)被控對(duì)象具有復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型時(shí)，難以達(dá)到滿意的控制效果。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制技術(shù)能有效地實(shí)現(xiàn)多種非線性復(fù)雜過(guò)程的控制，提高控制系統(tǒng)的魯棒性、容錯(cuò)性，且控制參數(shù)具有自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力。

（三）基于模型的非線性控制方法

為了克服某些線性控制方法的限制，一些非線性的控制方法被提出并且被運(yùn)用到飛行器的控制中。這些非線性的控制方法通常可以歸類(lèi)為基于模型的非線性控制方法。

1、反饋線性化是非線性系統(tǒng)常用的一種方法。反饋線性化理論有兩個(gè)重要分支：微分幾何法和動(dòng)態(tài)逆法。但動(dòng)態(tài)逆方法需要相當(dāng)精確的飛行器的模型，且由于系統(tǒng)建模誤差，加上外界的各種干擾，因此，設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)考慮魯棒性的因素。動(dòng)態(tài)逆的方法有一定的工程應(yīng)用前景，現(xiàn)已成為飛控研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)話題。

2、模型預(yù)測(cè)控制是一類(lèi)特殊的控制方法。最優(yōu)控制問(wèn)題的初始狀態(tài)為過(guò)程的當(dāng)前狀態(tài)，解得的最優(yōu)控制序列只施加在第一個(gè)控制作用上，這是它和那些預(yù)先計(jì)算控制律的算法的最大區(qū)別。本質(zhì)上看模型預(yù)測(cè)控制是求解一個(gè)開(kāi)環(huán)最優(yōu)控制的問(wèn)題，它與具體的模型無(wú)關(guān)，但是實(shí)現(xiàn)則與模型相關(guān)。

3、多飽和控制飽和現(xiàn)象是一種非常普遍的物理現(xiàn)象，存在于大量的工程問(wèn)題中。運(yùn)用多飽和控制的方法設(shè)計(jì)多旋翼無(wú)人機(jī)，可以解決其它控制方法所不能解決的很多實(shí)際的問(wèn)題。尤其是對(duì)于微小型無(wú)人機(jī)而言，由于大傾角的動(dòng)作以及外部干擾，致動(dòng)器會(huì)頻繁出現(xiàn)飽和。致動(dòng)器飽和會(huì)限制操作的范圍并削弱控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。多飽和控制在控制飽和輸入方面有著很好的全局穩(wěn)定性，因此這種方法常用來(lái)控制微型無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定性。

4、反步控制是非線性系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)最常用的方法之一，比較適合用來(lái)進(jìn)行在線控制，能夠減少在線計(jì)算的時(shí)間。反步方法運(yùn)用于飛控系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)可以處理一類(lèi)非線性、不確定性因素的影響，而且已經(jīng)被證明具有比較好穩(wěn)定性及誤差的收斂性。

5、自適應(yīng)控制是一種基于數(shù)學(xué)模型的控制方法，它最大的特點(diǎn)就是對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)部模型和外部擾動(dòng)的信息依賴比較少，與模型相關(guān)的信息是在運(yùn)行系統(tǒng)的過(guò)程中不斷獲取的，逐步地使模型趨于完善。但自適應(yīng)控制比常規(guī)反饋控制要復(fù)雜，成本也很高，因此只是在用常規(guī)反饋達(dá)不到所期望的性能時(shí)，才會(huì)考慮采用自適應(yīng)的方法。

三、總結(jié)

隨著科技進(jìn)步，無(wú)人機(jī)性能不斷得到提升，在軍事和民事領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文對(duì)無(wú)人機(jī)的控制方法及應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)詳細(xì)介紹，以期為未來(lái)無(wú)人機(jī)的研究提供有用參考。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：刁可，1990.04，男，江蘇揚(yáng)州，本科，機(jī)械，210033，南京技師學(xué)院，南京市棲霞區(qū)學(xué)海路29號(hào)。