【摘 要】無(wú)人旋翼飛行器是目前國(guó)際上應(yīng)用比較廣泛的偵查設(shè)備，其主要特點(diǎn)就是可以實(shí)現(xiàn)人員的遠(yuǎn)程操控，保證了人員的安全，而且無(wú)人旋翼飛行器一般體積較小，重量偏輕，具有較好的機(jī)動(dòng)性。想要保證飛行器在不同氣候、地形等條件下完成既定任務(wù)，就必須對(duì)飛行器的飛行控制系統(tǒng)做出調(diào)整。本文即是對(duì)無(wú)人旋翼飛行器自適應(yīng)飛行控制系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行的分析，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)分析進(jìn)行實(shí)際研究，證明了本次分析設(shè)計(jì)的飛行控制系統(tǒng)具有較好的自適應(yīng)性和魯棒性，能夠充分實(shí)現(xiàn)飛行器在空中的各類(lèi)動(dòng)作，并且可以有效穩(wěn)定飛行器空中姿態(tài)，提高了控制人員的可操作性。

【關(guān)鍵詞】無(wú)人飛行器 自適應(yīng)控制 設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)

無(wú)人飛行器是目前較為先進(jìn)的無(wú)人偵查設(shè)備之一，具有較好的機(jī)動(dòng)性，體重較輕，能夠高速飛行，適合未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上的偵查工作。目前世界上的飛行器主要以無(wú)人旋翼飛行器為主，其根據(jù)螺旋槳的個(gè)數(shù)或螺旋槳軸的個(gè)數(shù)進(jìn)行分類(lèi)，可以實(shí)現(xiàn)高難度的空中動(dòng)作，如翻滾、直停、側(cè)飛、垂直升降等，在繼承直升機(jī)等機(jī)型優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，加入了一些更加先進(jìn)的技術(shù)。

一、自適應(yīng)飛行控制律的設(shè)計(jì)

（一）模型逆

自適應(yīng)控制系統(tǒng)最早是被應(yīng)用在航天航空領(lǐng)域，提出這一理念是因?yàn)楫?dāng)飛行設(shè)備在外部環(huán)境下進(jìn)行飛行的過(guò)程中會(huì)遇到各類(lèi)外界因素的影響。這些因素都會(huì)影響飛行裝置的穩(wěn)定性，對(duì)飛行器的飛行高度和速度造成一定的影響。目前想要獲得無(wú)人旋翼飛行器的精確公式還有一定困難，通常情況下均是采用經(jīng)驗(yàn)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)，或?qū)嶒?yàn)中所得出的平均參數(shù)，因此這類(lèi)計(jì)算方法存在一定的誤差性。其誤差可以用：來(lái)進(jìn)行表示。其代表飛行器系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)情況和預(yù)估動(dòng)態(tài)情況之間的差異，這種誤差可以通過(guò)控制器逆誤差來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。

（二）模型逆誤差動(dòng)態(tài)特性

以三軸無(wú)人飛行器為例，其控制回路的設(shè)計(jì)模型一般上是用二階穩(wěn)定模型來(lái)進(jìn)行表示，其指令向量的公式為：。而飛行器在飛行過(guò)程中所收到的角加速度影響向量的公式則為：，用來(lái)表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算數(shù)據(jù)所需要的輸出量，以此來(lái)對(duì)模型的逆差進(jìn)行補(bǔ)償。

由上圖中可以看出，在對(duì)控制無(wú)人飛行器姿態(tài)的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，其模型逆控制器輸出值的偽控制量一般利用：來(lái)表示，其中來(lái)表示，是模型的跟蹤誤差。代表無(wú)人飛行器控制器的輸出，可以用來(lái)抵消模型所產(chǎn)生的誤差。當(dāng)無(wú)人飛行器控制器的輸出量能夠完全抵消掉誤差，則上述公式即轉(zhuǎn)化為無(wú)固定控制量的方程，其動(dòng)態(tài)誤差呈現(xiàn)收斂性，并且矩陣A對(duì)其起到了決定性的影響作用。如果可以有效保證、的正確性，則就會(huì)使無(wú)人飛行器整體系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，其所產(chǎn)生的誤差就會(huì)縮小，并且誤差趨勢(shì)也會(huì)有所收斂。

（三）模型逆誤差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是自適應(yīng)系統(tǒng)中比較重要的組成部分，其使得自適應(yīng)系統(tǒng)具備了自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)屬性，因此，這一組成部分可以有效幫助整個(gè)系統(tǒng)對(duì)模型帶來(lái)的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。以但隱層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為例，以具體構(gòu)成圖如下：

在這一系統(tǒng)中，其隱含的層節(jié)點(diǎn)激活函數(shù)一般是以S型函數(shù)進(jìn)行表達(dá)的，其具體可列為：。而輸出層節(jié)點(diǎn)則與隱含層節(jié)點(diǎn)存在不同的表達(dá)方式，其主要是以線性函數(shù)進(jìn)行表單，具體可以列為：

。其中代表輸入層的節(jié)點(diǎn)數(shù)，代表隱含層的節(jié)點(diǎn)數(shù)，而則代表輸出層的節(jié)點(diǎn)數(shù)，代表輸入層的偏置量，而則表示隱含層的偏置量，表示隱含層的閾值，而則表示輸出層的閾值。其中和均不能是負(fù)數(shù)。

為了保證系統(tǒng)在實(shí)際操作階段不出現(xiàn)較大波動(dòng)的變化，穩(wěn)定操作量的輸出，可以對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出值進(jìn)行有效地計(jì)算，其是以增加高增益魯棒項(xiàng)為標(biāo)準(zhǔn)的，具體為：，其中，。

（四）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)系數(shù)自主學(xué)習(xí)的算法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的在線學(xué)習(xí)能力也是整個(gè)系統(tǒng)自適應(yīng)的一種表現(xiàn)，其主要是由于非線性函數(shù)使得該系統(tǒng)能夠無(wú)限接近自主學(xué)習(xí)特性。所有的參考模型信號(hào)有界，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)計(jì)算公式則可以表示為：

二、無(wú)人旋翼飛行器控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)并安裝完畢后，需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際操作測(cè)試，如果條件允許的情況下可以先制作出樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試；而如果條件不允許的情況下則可以利用Simulink工具對(duì)其進(jìn)行仿真模擬測(cè)試。主要測(cè)試的項(xiàng)目包括無(wú)人旋翼飛行器的水平垂直升降的穩(wěn)定性和控制器對(duì)其的操作性能，還要驗(yàn)證飛行器在飛行過(guò)程中懸停、側(cè)飛、翻滾、復(fù)位等動(dòng)作的穩(wěn)定性和控制性的可操作性。利用計(jì)算機(jī)程序?qū)︼w行器飛行軌跡進(jìn)行計(jì)算，分析其飛行姿態(tài)和動(dòng)作軌跡是否能夠與控制器保持一致。

無(wú)人旋翼飛行器是目前較為先進(jìn)的飛行技術(shù)，其打破了傳統(tǒng)飛行器設(shè)計(jì)理念，結(jié)合目前最為先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，對(duì)未來(lái)飛行設(shè)備的發(fā)展有著巨大的影響。

參考文獻(xiàn)：

【1】夏青元，徐錦法.變轉(zhuǎn)速共軸旋翼載荷建模及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2012.

作者簡(jiǎn)介：周如磊（1983·8）男；民族：漢族；籍貫：安徽省霍邱縣人；2008年畢業(yè)于中國(guó)民航大學(xué)，飛行器動(dòng)力工程系；現(xiàn)供職中國(guó)東方航空股份有限公司；職稱(chēng)：助理工程師；學(xué)位：學(xué)士；研究方向：飛行器動(dòng)力工程。