淺談無人機的控制的方法及應用

摘要：這些年來，無人機的研制取得了突飛猛進的發展，它優異的功能和性能被應用于各個行業和領域。無人機有著廣闊的發展前景，其控制方法的研究和探討也很重要，本文就此展開論述，進行分析。

關鍵詞：無人機;應用現狀;控制

一、特征

（一）優點

與有人飛機相比，無人機有著很多突出優點。由于無人機上不直接搭載飛行員，避免了人員的犧牲。無人機不需要考慮人的生理條件、承受能力、工作時間等因素，不需要安裝生命保障系統，這就大大減少了無人機的制造成本，減輕了無人機的整體質量，減小了無人機的整體尺寸。同時，在各種濃煙、濃霧﹑高寒等復雜環境中，無人機依然可以執行任務，這就使無人機應用領域得到進一步拓展。此外，無人機還具有易于起降、操作簡單、機動靈活等優點。

（二）缺點

無人機也有其缺點所在，因無人機質量相對較輕，所以其承載能力有限，且抗風能力也相對較差，如遇特殊天氣，無人機容易偏離航線，而靠預裝程序控制的無人機，其智能性、靈活性差，無人機難以應對這些意外情況。同時，受無線電遙控的無人機，一旦受到對方無線電的干擾，容易出現敵我不識，這對于軍用無人機來說無疑是一個致命缺點。此外，目前無人機還具有可靠性不高、飛行速度較慢等缺點。

二、控制方法及應用

無人機的飛行控制是無人機研究領域主要問題之一。傳統的控制方法主要集中于姿態和高度的控制，除此之外還有一些用來控制速度、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。其控制方法簡單，無需前期建模工作，參數物理意義明確，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。經典的控制理論并不要求被控對象的精確數學模型來解決多輸入多輸出非線性系統問題。魯棒控制可以很好解決因干擾等因素引起的建模誤差問題，但它依賴于高性能的處理器，同時，由于是頻域設計方法，調參也相對困難。

3、LQR是被運用來控制無人機的比較成功的方法之一，其對象是能用狀態空間表達式表示的線性系統，目標函數為是狀態變量或控制變量的二次函數的積分。而且Matlab軟件的使用為LQR的控制方法提供了良好的仿真條件，更為工程實現提供了便利。

4、增益調度法解決系統非線性的問題。該算法由兩大部分組成，第一部分主要完成事件驅動，第二部分為誤差驅動。該控制方法在旋翼無人機的垂直起降、定點懸停及路徑跟蹤等控制上有著優異的性能。

（二）基于學習的飛行控制方法

基于學習的飛行控制方法的特點就是無需了解飛行器的動力學模型，只要一些飛行試驗和飛行數據。

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實現對無人機的控制。

2、基于人體學習的方法是美國MIT的科研人員為了尋找能更好地控制小型無人飛行器的控制方法，從參加軍事演習進行特技飛行的飛機中采集數據，更好地理解無人機的輸入序列和反饋機制。這種方法已經被運用到小型無人機的自主飛行中。

3、神經網絡法經典PID控制結構簡單、使用方便、易于實現，但當被控對象具有復雜的數學模型時，難以達到滿意的控制效果。神經網絡自適應控制技術能有效地實現多種非線性復雜過程的控制，提高控制系統的魯棒性、容錯性，且控制參數具有自適應和自學習能力。

（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常用的一種方法。反饋線性化理論有兩個重要分支：微分幾何法和動態逆法。但動態逆方法需要相當精確的飛行器的模型，且由于系統建模誤差，加上外界的各種干擾，因此，設計時要重點考慮魯棒性的因素。動態逆的方法有一定的工程應用前景，現已成為飛控研究領域的一個熱點話題。

2、模型預測控制是一類特殊的控制方法。最優控制問題的初始狀態為過程的當前狀態，解得的最優控制序列只施加在第一個控制作用上，這是它和那些預先計算控制律的算法的最大區別。本質上看模型預測控制是求解一個開環最優控制的問題，它與具體的模型無關，但是實現則與模型相關。

3、多飽和控制飽和現象是一種非常普遍的物理現象，存在于大量的工程問題中。運用多飽和控制的方法設計多旋翼無人機，可以解決其它控制方法所不能解決的很多實際的問題。尤其是對于微小型無人機而言，由于大傾角的動作以及外部干擾，致動器會頻繁出現飽和。致動器飽和會限制操作的范圍并削弱控制系統的穩定性。多飽和控制在控制飽和輸入方面有著很好的全局穩定性，因此這種方法常用來控制微型無人機的穩定性。

4、反步控制是非線性系統控制器設計最常用的方法之一，比較適合用來進行在線控制，能夠減少在線計算的時間。反步方法運用于飛控系統控制器的設計可以處理一類非線性、不確定性因素的影響，而且已經被證明具有比較好穩定性及誤差的收斂性。

5、自適應控制是一種基于數學模型的控制方法，它最大的特點就是對于系統內部模型和外部擾動的信息依賴比較少，與模型相關的信息是在運行系統的過程中不斷獲取的，逐步地使模型趨于完善。但自適應控制比常規反饋控制要復雜，成本也很高，因此只是在用常規反饋達不到所期望的性能時，才會考慮采用自適應的方法。

三、總結

隨著科技進步，無人機性能不斷得到提升，在軍事和民事領域得到了廣泛應用。本文對無人機的控制方法及應用進行系統詳細介紹，以期為未來無人機的研究提供有用參考。

參考文獻：

[1]Kenzo NONAMI，Wei WANG，et al.Autonomous Flying Robots：Unmanned Aerial Vehicles and Micro Aerial Vehicles[M].Berlin：Springer，2010.

[2]張云秀，曾慶達，張煒.無人機發展綜述[J].河南科技，2017

作者簡介：刁可，1990.04，男，江蘇揚州，本科，機械，210033，南京技師學院，南京市棲霞區學海路29號。