無人機的魯棒控制方法研究

杜燕軍

(中國人民解放軍96626部隊，北京 10010)

從應(yīng)用科技角度分析，無人機是多種高科技理論應(yīng)用的集成體，采用了無線電遙控設(shè)備和自動程序控制裝置，在無人操控條件下自動完成指令任務(wù)。魯棒控制法是無人機研制的新型科技，其結(jié)合魯棒控制理論對無人機實施自主調(diào)控，保證了無人駕駛飛機的穩(wěn)定運行。本次分析了無人機的魯棒控制方法，對實際控制操作提出了相關(guān)建議。

一 魯棒控制的概述

1.魯棒性

工業(yè)科技發(fā)展使得人們更加依賴于自動控制技術(shù)的應(yīng)用，實際作業(yè)條件下也出現(xiàn)了不同的異常狀態(tài)，進而影響到了自動控制性能的發(fā)揮?！棒敯粜浴笔窃诋惓顩r下提出的控制概念，主要是指某一設(shè)備能否在故障狀態(tài)下維持正常的運作功能，這便是控制系統(tǒng)的魯棒性，如圖1。舉一實例，計算機控制系統(tǒng)是自動控制技術(shù)應(yīng)用的典范，軟硬件設(shè)施受到外界環(huán)境干擾時易發(fā)生程序錯誤、指令失控、裝置過載等問題。若此時軟硬件系統(tǒng)執(zhí)行自動化處理模塊，維持了計算機設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)，實際操作功能未受到任何影響，這便是計算機魯棒性的表現(xiàn)。

圖1 魯棒性

2.魯棒控制

自動控制技術(shù)是現(xiàn)代科技創(chuàng)新的先進成果，自動控制系統(tǒng)借助各種功能性裝置而實現(xiàn)了多元化控制模式，用自動控制器取代了人工操作模式，顯著提升了機械、電氣等設(shè)備的可調(diào)度性?；隰敯粜蕴攸c下，科技研究領(lǐng)域提出了魯棒控制方法，這種系統(tǒng)是對原始自動控制模式的優(yōu)化改進。魯棒控制是指針對工業(yè)自動化控制實施的改造方案，采用了數(shù)字化運算模型為支撐平臺，對控制模型的不確定性給予調(diào)控，從而實現(xiàn)了自動控制功能的升級。魯棒控制是基于魯棒性理論的一種新方法，通過設(shè)置高性能的控制器為輔助，按照被控制對象的操作要求調(diào)控。并且當(dāng)控制系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)、外形等參數(shù)發(fā)生異常變化時，依舊能維持設(shè)備或元件應(yīng)有的功能狀態(tài)，此種方法則是“魯棒控制”。

二 無人機魯棒控制的特點

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，我國對于無人機研究的進程不斷加快，并且在現(xiàn)有技術(shù)條件下研發(fā)了更多的配套設(shè)施，保障了無人機裝置功能的有效的發(fā)揮。相比于傳統(tǒng)飛機駕駛模式，采用魯棒控制方法之后，無人機的應(yīng)用功能進一步提升。

1.自動性。自動控制系統(tǒng)是無人機最基本的應(yīng)用特點，配備了無線電遙控裝置、自動控制程序等核心結(jié)構(gòu)，對飛機駕駛操作實施自動化調(diào)度。魯棒控制理論指導(dǎo)下，無人機研制的控制系統(tǒng)更加先進，不僅滿足了自動控制操作的要求，也能對遙控器進行更全面的改造。

2.安全性。從實際應(yīng)用情況看，無人機常用于執(zhí)行危險性的任務(wù)，特別是在軍事偵察、勘測等方面的應(yīng)用更多。相比于載人飛機，無人機的安全系數(shù)更高，執(zhí)行任務(wù)時不會造成人員方面的傷亡。無線通信是無人機的主要技術(shù)合成，GPS技術(shù)融入新型無人機研制方案中，擴大了飛機的通信傳輸面域，方便了遙控信號的定位傳輸。

3.高效性。近年來，無人機的魯棒控制技術(shù)日趨成熟，顯著降低了無人機的故障率，維護了飛機內(nèi)外部裝置的持久應(yīng)用，這些都為無人機循環(huán)利用提供了有利的條件，提升了資源的實用性。例如，魯棒控制方法應(yīng)用無線電遙控，可對無人機實施跟蹤、定位、遙控、監(jiān)測等多方面的安全控制。

三 Matlab下無人機的建模與仿真

對無人機的魯棒性進行模擬仿真，需要借助先進的模擬軟件才能實現(xiàn)，這是保證模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的前提。Matlab是一款比較實用的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用其作為無人機模擬控制器，可以加快對無人機性能的綜合調(diào)度，客觀地反映出無人機工作狀態(tài)。此數(shù)學(xué)軟件能夠?qū)o人機魯棒性實施自動化運算，結(jié)合所得數(shù)據(jù)判斷出無人機所處的功能狀況，這涉及到了算法優(yōu)化、數(shù)據(jù)分析、語言交換等應(yīng)用。本次Matlab下無人機仿真建模的技術(shù)應(yīng)用。

1.C MEX S－Function下的模擬

C MEX S－Function是計算機C語言下編制成的S函數(shù)，每一種函數(shù)都有不同的使用功能。從功能角度劃分，主要涉及到七大結(jié)構(gòu)，第一部分是宏觀定義區(qū)，Matlab模擬仿真中涉及到的頭文件、源文件等，都是此技術(shù)定義的范圍。其余6個結(jié)構(gòu)，則交由S－Function函數(shù)執(zhí)行，模擬流程如圖2。

2.Simulink下的模擬

結(jié)合無人機控制模擬，其主要包括氣動數(shù)據(jù)解算、狀態(tài)/運動方程解算等。前者有發(fā)動機推力、阻力系數(shù)、側(cè)力系數(shù)、升力系數(shù)等，后者主要分為計算無人機狀態(tài)、計算無人機運動方程等模塊。設(shè)定Simulink模型庫，能夠掌握各個模塊的使用功能，并且結(jié)合Matlab軟件加快數(shù)據(jù)的自動化處理。操作使用中可按照建模情況，對系統(tǒng)擴展能力及時地調(diào)整，確保無人機在相對穩(wěn)定的狀態(tài)下運行。

圖2 C語言編程下的S函數(shù)

3.基于Matlab的模擬

參照12維的狀態(tài)及運動方程，結(jié)合無人機模型的結(jié)算流程，便可以正式執(zhí)行無人機模擬動態(tài)。本次基于Matlab的Simulink模擬中，實現(xiàn)過程與解算流程:氣動數(shù)據(jù)解算模塊按照飛控部分輸出的舵機狀態(tài)，對參數(shù)與信息流程實施控制，借助氣動數(shù)據(jù)的差值算法對力矩系數(shù)進行計算。對于模擬計算所得的結(jié)果，交由無線網(wǎng)絡(luò)傳輸機傳感器實施對點傳遞，為無人機控制提供了指導(dǎo)。

四 基于Matlab仿真的魯棒控制

自動控制是無人機研制的主要科技之一，控制系統(tǒng)按照無人機內(nèi)裝置結(jié)構(gòu)及控制單元進行編排，擬定了與無人機相配套的自動化控制平臺，維持了飛機原有的功能特性。魯棒控制理論應(yīng)用于無人機操控指導(dǎo)，顯著提升了機載裝置控制的效率，加快了新型戰(zhàn)機應(yīng)用模式的改革速度。本次結(jié)合無人機作業(yè)的具體情況，對魯棒控制方法的應(yīng)用進行闡述，具體如下:

1.無線傳輸。無線圖像傳輸作為一個特殊使用方式也逐漸應(yīng)用于無人機控制，這是魯棒控制方法的常見形式。無人機本質(zhì)上是一種遠程遙控式的不載人飛機，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸以執(zhí)行控制指令。無線傳輸網(wǎng)的魯棒性相對穩(wěn)定，不會因為無線網(wǎng)絡(luò)變動而失去了原有的控制性能。無線傳輸網(wǎng)具有安裝方便、靈活性強、性價比高等特性，使得更多行業(yè)的監(jiān)控系統(tǒng)采用無線傳輸方式，建立被監(jiān)控點和監(jiān)控中心之間的連接。

2.遠程協(xié)助。遙控人員在異地通過計算機網(wǎng)絡(luò)異地?fù)芴柣螂p方都接入Internet等手段，聯(lián)通需被控制的計算機對無人機性能進行維護，遇到突發(fā)情況可以保證飛機及其裝置的穩(wěn)定性。魯棒控制法中將被控?zé)o人機的工作狀態(tài)顯示到主控計算機之上，通過本地計算機對遠方計算機進行配置、軟件安裝程序、修改等工作。遠程協(xié)助控制時通過局域網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程開機，加快了無人機在故障狀態(tài)下的恢復(fù)進程。

圖3 遠程控制

3.故障診斷。應(yīng)用魯棒控制方法對無人機進行檢測，不僅提高了地面對空中飛行軌跡的控制引導(dǎo)，也實現(xiàn)了無人機監(jiān)控操作的高效性。以飛行速度監(jiān)控為例，系統(tǒng)故障診斷是對系統(tǒng)運行狀態(tài)和異常情況作出判斷，并根據(jù)診斷作出判斷為系統(tǒng)故障恢復(fù)提供依據(jù)。要對魯棒控制系統(tǒng)進行故障診斷，首先必須對其進行檢測，在發(fā)生系統(tǒng)故障時，對故障類型、故障部位及原因進行診斷，最終給出解決方案，實現(xiàn)故障恢復(fù)。

4.智能控制。隨著無人機使用范圍的擴大化，對魯棒控制系統(tǒng)研究的層次更加深入。軍事工程不僅要靈活地應(yīng)用魯棒控制方法，還要對其中存在的控制問題及時防范，提高無人機裝置的可調(diào)度性能。自動控制器是借助魯棒控制理論研制而成的，智能操作是一類無需人的干預(yù)就能夠自主地驅(qū)動機器實現(xiàn)其目標(biāo)的自動控制，也是用計算機模擬人類智能的一個重要領(lǐng)域。

五 結(jié)論

無人機在我國軍事工程中得到了普及應(yīng)用，其能夠按照人工操作要求執(zhí)行各種危險性的任務(wù)，并且完全受控于地面指揮中心。無人機采用了無線電遙控設(shè)備和自動控制程序，實現(xiàn)了超遠程的人機控制一體化。魯棒控制是無人機自動控制技術(shù)的必備形式，其能夠在自動控制故障狀態(tài)下，使機載裝置維持原有的功能，降低了無人機事故的發(fā)生率，是現(xiàn)代無人機研制的重要控制技術(shù)。

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