小型無(wú)人直升機(jī)抗干擾控制及算法研究綜述

左龍威

[摘? ? 要]小型無(wú)人直升機(jī)因其低空低速飛行、垂直起降等特點(diǎn)，在軍事和民用領(lǐng)域有著較光明的應(yīng)用前景，因此無(wú)人直升機(jī)的控制問(wèn)題成為自動(dòng)控制領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)。文章針對(duì)小型無(wú)人直升機(jī)模型，通過(guò)整理歸納，對(duì)具有代表性的飛行控制技術(shù)方法進(jìn)行介紹，主要介紹線性控制器和非線性控制器當(dāng)中一些常見的控制技術(shù)方法。

[關(guān)鍵詞]小型無(wú)人直升機(jī);試驗(yàn)平臺(tái);飛行控制技術(shù);飛行原理

[中圖分類號(hào)]V249.1 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）05–00–02

Review of anti Jamming Control and Algorithm for Small Helicopter

Zuo Long-wei

[Abstract]Helicopter has a bright future in the military and civil fields because of its low altitude and low speed flight， vertical take-off and landing， so the control of helicopter is the research focus in the field of automatic control. According to the model of small unmanned helicopter， this paper introduces the representative flight control technology methods， mainly introduces some common control technology methods of linear controller and nonlinear controller.

[Keywords]small unmanned helicopter; experimental platform; flight control technology; flight principle

1 小型無(wú)人直升機(jī)

1.1 基本介紹

無(wú)人機(jī)的概念，從字面意思看就是不需要載人駕駛的飛機(jī)。不載人駕駛，那么肯定要通過(guò)一些設(shè)備或者控制方法對(duì)飛機(jī)進(jìn)行飛行控制。無(wú)人機(jī)是通過(guò)遙控信號(hào)發(fā)送機(jī)或者提前載入程序進(jìn)行控制的。一架無(wú)人機(jī)一般可以分為硬件和軟件兩個(gè)部分。硬件系統(tǒng)包括機(jī)身、飛控、接收機(jī)、傳感器等。傳感器充當(dāng)無(wú)人機(jī)的感知系統(tǒng)，常用的傳感器有攝像頭、激光雷達(dá)、與遙控模塊對(duì)應(yīng)的接收機(jī)、無(wú)線數(shù)傳等。

上面提到，第一種操作方式是通過(guò)遙控信號(hào)發(fā)送機(jī)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。主要過(guò)程是遙控裝置解鎖無(wú)人機(jī)，發(fā)送相應(yīng)指令，通過(guò)無(wú)人機(jī)的接收機(jī)傳送到飛控上，從而飛控對(duì)無(wú)人機(jī)做出相應(yīng)的控制。第二種是通過(guò)地面站，直接在飛控上載入程序，通過(guò)遙控裝置一鍵執(zhí)行。

無(wú)人機(jī)的其中一種是無(wú)人直升機(jī)，無(wú)人直升機(jī)又可以分為大、中、輕、小、微小等類型。用于試驗(yàn)室研究的一般是小型無(wú)人直升機(jī)，且一般都是固定在室內(nèi)的試驗(yàn)平臺(tái)。小型無(wú)人直升機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是輕巧方便、價(jià)格低廉、可操作性高，目前在各種領(lǐng)域都有應(yīng)用，如勘探地形、拍照攝影、運(yùn)送物資等。

1.2 發(fā)展情況

20世界初，保羅的成功試飛標(biāo)志著世界上第一架人類直升機(jī)誕生。1917年，皮特和埃爾默發(fā)明了自動(dòng)陀螺穩(wěn)定器，這使得無(wú)人機(jī)從理論變成有可能實(shí)現(xiàn)的科技。此后便有很多人嘗試著將直升機(jī)縮小，并將無(wú)人直升機(jī)真正實(shí)現(xiàn)。

基于中國(guó)的歷史發(fā)展情況，無(wú)人直升機(jī)起步于20世紀(jì)90年代，得益于改革開放，發(fā)展速度很快。20世紀(jì)末，中國(guó)第一架無(wú)人直升機(jī)“海鷗”號(hào)完成首飛。21世紀(jì)初，中國(guó)首架微型無(wú)人直升機(jī)“御精靈”登臺(tái)亮相。

在國(guó)外，對(duì)于無(wú)人直升機(jī)的自動(dòng)控制問(wèn)題，如角度、速度、軌跡等問(wèn)題基本已經(jīng)解決。無(wú)人直升機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)本身的穩(wěn)定性、魯棒性等已經(jīng)有許多控制算法進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，目前無(wú)人直升機(jī)的研究方向更多地是轉(zhuǎn)向無(wú)人自主控制。

在國(guó)內(nèi)，雖然無(wú)人直升機(jī)的發(fā)展速度很快，但是對(duì)于一些控制難點(diǎn)仍然采取回避的方式。對(duì)于無(wú)人直升機(jī)的研究仍舊停留在自動(dòng)控制階段，即對(duì)于特定的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模，設(shè)計(jì)單一或復(fù)合控制器，使得整個(gè)系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。但是國(guó)內(nèi)對(duì)于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的非線性項(xiàng)或非線性干擾的研究比較多。

1.3 小型無(wú)人直升機(jī)的試驗(yàn)平臺(tái)

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)小型無(wú)人直升機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)研究并不多。因?yàn)閷I(yè)而特有的仿真軟件的開發(fā)成本較高，回收周期長(zhǎng)，不能滿足在有限的成本和時(shí)間內(nèi)做出有效的成績(jī)。現(xiàn)有的仿真成果的參考價(jià)值也不大，無(wú)法直觀地對(duì)復(fù)雜的無(wú)人直升機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行空中狀態(tài)的測(cè)量。

鑒于我國(guó)目前的軟硬件水平，很難設(shè)計(jì)出一個(gè)好的無(wú)人直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)。小型無(wú)人直升機(jī)的研究領(lǐng)域應(yīng)當(dāng)由廣闊的天空趨向于室內(nèi)的固定試驗(yàn)平臺(tái)，因此，無(wú)人直升機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)會(huì)是未來(lái)國(guó)內(nèi)小型無(wú)人直升機(jī)仿真研究的一個(gè)趨勢(shì)。

2006年，姜哲等人[4]對(duì)一種安裝在機(jī)械臂上的小型無(wú)人直升機(jī)，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速控制和系統(tǒng)的辨識(shí)。2019年，楊順龍[5]設(shè)計(jì)了一種可以無(wú)線通信的小型無(wú)人直升機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過(guò)仿真機(jī)控制。

2 小型無(wú)人直升機(jī)的飛行原理

小型無(wú)人直升機(jī)的組成部分有主旋翼，尾旋翼，機(jī)身，電機(jī)等。當(dāng)然并不是所有的小型無(wú)人直升機(jī)都是一樣的，有些直升機(jī)的主旋翼是三角結(jié)構(gòu)，是由3個(gè)電機(jī)組成，而有些直升機(jī)就非常簡(jiǎn)單，比如Humusoft兩自由度的CE150的主旋翼和尾旋翼分別只由一個(gè)電機(jī)控制，只能俯仰或者旋轉(zhuǎn)。大多數(shù)小型無(wú)人直升機(jī)基本上都是六個(gè)自由度的，內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)構(gòu)成較為復(fù)雜。下面的原理闡釋只針對(duì)六自由度的小型無(wú)人直升機(jī)。

首先需要建立一個(gè)三維的空間坐標(biāo)系，3條軸線對(duì)應(yīng)直升機(jī)的3個(gè)姿態(tài)，分別是俯仰，橫滾，偏航。主旋翼和尾旋翼共同提供直升機(jī)的控制力矩，俯仰和橫滾姿態(tài)由主旋翼控制，尾旋翼負(fù)責(zé)直升機(jī)的偏航姿態(tài)，前提條件是建立在不考慮兩者之間可能產(chǎn)生的耦合的情況下。

六自由度直升機(jī)的主旋翼的結(jié)構(gòu)就是三角結(jié)構(gòu)，通過(guò)3個(gè)電機(jī)的升降控制主旋翼槳尖平面，使其上下?lián)]舞，同時(shí)配合自動(dòng)傾斜器，達(dá)到控制直升機(jī)俯仰和橫滾的效果。

根據(jù)牛頓第三定律，當(dāng)直升機(jī)的主旋翼旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生升力的同時(shí)，也會(huì)對(duì)直升機(jī)產(chǎn)生一個(gè)反作用力矩，會(huì)使得直升機(jī)打轉(zhuǎn)甚至失控，所以需要尾旋翼來(lái)抵消這個(gè)反作用力矩。

另一個(gè)作用就是控制直升機(jī)的方位角，改變尾槳拉力的大小，可以操縱方向。在我國(guó)，直升機(jī)的主旋翼轉(zhuǎn)向一般是逆時(shí)針，產(chǎn)生的扭矩則是相反。因此尾旋翼需要產(chǎn)生與主旋翼轉(zhuǎn)向相同方向的轉(zhuǎn)矩，尾旋翼的推力的高低可以控制直升機(jī)航向偏向。

3 飛行控制技術(shù)

3.1 線性控制器

當(dāng)對(duì)小型無(wú)人直升機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行研究時(shí)，無(wú)論是簡(jiǎn)單的二自由度或者更高的六自由度，會(huì)發(fā)現(xiàn)其中包含非線性項(xiàng)和非線性干擾。而線性控制器是應(yīng)用于線性對(duì)象的，那么為了將線性控制器運(yùn)用在小型無(wú)人直升機(jī)這個(gè)非線性對(duì)象上，就需要找到合適的約束條件和方法，將其運(yùn)動(dòng)學(xué)系統(tǒng)中的非線性項(xiàng)線性化。由于這種方法是需要滿足約束條件的，因此針對(duì)線性化對(duì)象控制器的適用范圍具有局限性。雖然有這種限制，但是因?yàn)榫€性控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于控制、容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，在早期的研究中被很多研究人員運(yùn)用。

比例積分微分控制（PID控制）是最先出現(xiàn)的控制方法之一，算法簡(jiǎn)便、魯棒性良好且成熟可靠。常規(guī)PID控制器作為一種線性控制器，2003年，Humusoft在一個(gè)二自由度的無(wú)人直升機(jī)模型（CE150）設(shè)計(jì)兩個(gè)PID單輸入單輸出控制器[6]，分別控制俯仰角和方位角，但是耦合對(duì)于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的影響依然存在。

為了降低耦合對(duì)于小型無(wú)人直升機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的影響，線性二次型調(diào)節(jié)器（簡(jiǎn)稱LQR）應(yīng)運(yùn)而生。通過(guò)LQR較容易地獲得狀態(tài)線性反饋的最優(yōu)控制規(guī)律。這是一種空間狀態(tài)設(shè)計(jì)法，屬于較為成熟的現(xiàn)代控制理論。2008年，王小青等人[7]采用改進(jìn)的LQR方法，對(duì)小型無(wú)人直升機(jī)進(jìn)行增穩(wěn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

為了解決經(jīng)典頻域理論不適合多變量系統(tǒng)設(shè)計(jì)的問(wèn)題，20世紀(jì)80年代，Zames和Doyle提出了H∞控制理論。H∞控制理論應(yīng)用于指標(biāo)項(xiàng)轉(zhuǎn)化為特定閉環(huán)傳遞函數(shù)矩陣的H∞范數(shù)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，將頻域概念與狀態(tài)空間法相結(jié)合，給出了魯棒控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。2008年，車軍等人[8]基于H∞理論設(shè)計(jì)了內(nèi)回路魯棒姿態(tài)控制律。

還有反饋線性化，這是基于精準(zhǔn)模型的線性化方法，一般在大范圍內(nèi)有效。通過(guò)對(duì)原狀態(tài)的非線性系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成線性的能控能觀測(cè)系統(tǒng)，再通過(guò)一般的線性控制方法進(jìn)行控制。清華大學(xué)的胡春華在博士論文中，就通過(guò)反饋線性化將縱列式無(wú)人直升機(jī)近似線性化。[9]

3.2 非線性控制器

通過(guò)上述分析說(shuō)明，線性控制器的適用范圍是具有局限性的。當(dāng)小型無(wú)人直升機(jī)的運(yùn)行偏離了平衡點(diǎn)，或者對(duì)于適用范圍之外的控制，線性控制器對(duì)于系統(tǒng)的控制效果就顯得很薄弱了。因此需要用非線性控制器對(duì)非線性對(duì)象進(jìn)行控制，可以是單獨(dú)控制，也可以運(yùn)用復(fù)合策略。

反步控制技術(shù)的基本理念是降階非線性系統(tǒng)為若干個(gè)子系統(tǒng)，然后設(shè)計(jì)Lyapunov函數(shù)和子系統(tǒng)的虛擬部分，再倒推回原來(lái)的系統(tǒng)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)就是化整為零，再控制設(shè)定的子系統(tǒng)Lyapunov函數(shù)，從而控制整個(gè)非線性系統(tǒng)。2012年，孫秀云等人針對(duì)小型無(wú)人直升機(jī)非線性系統(tǒng)，提出了一種基于反步法的控制策略。

自適應(yīng)控制技術(shù)是一種帶有在線參數(shù)識(shí)別的控制方法，需要在系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中不斷提取有關(guān)模型的信息，因此常常會(huì)借助人工智能學(xué)科，比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。2005年，王輝等人[11]根據(jù)自適應(yīng)控制理論，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了自適應(yīng)控制系統(tǒng)。

滑模控制是根據(jù)系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)不斷向目標(biāo)移動(dòng)，使系統(tǒng)在預(yù)定的滑動(dòng)軌跡中移動(dòng)，其特點(diǎn)是具有不連續(xù)性。2014年，周彬[12]基于滑膜控制理論為直升機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了雙環(huán)積分滑模姿態(tài)控制器。

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