偵察無人機控制建模

黃鈺++張焰++李祥

【摘 要】偵查無人機自主飛行一直備受航空領(lǐng)域相關(guān)研究者的關(guān)注，研究人員一直在需求一種高效、簡單、精確的偵查無人機飛行控制模型，這對于提升飛行器的飛行性能有著重要的作用。本文進行了偵查無人機動力學模型的建立，和動態(tài)仿真，通過仿真結(jié)果表明，以PID控制器對四旋翼偵察無人機進行控制效果良好。

【關(guān)鍵詞】偵查無人機 動力學模型 仿真 控制

四旋翼偵察無人機在飛行控制原理、負載能力等各個方面都有著較大優(yōu)勢，是一種典型的、極具優(yōu)勢的偵查無人機，在軍事、民用等領(lǐng)域都有著廣泛的應用。本文以四旋翼偵察無人機為例，探討了偵查無人機控制建模的相關(guān)問題，旨在進一步促進我國偵查無人機的應用和發(fā)展。

1 偵查無人機的動力學模型建立

1.1 模型假設

以四旋翼偵察無人機為例：①將飛機視為鋼體，運動過程中不發(fā)生彈性形變；②四個電機電流穩(wěn)定，且提供的升力一致；③采用正交方式安裝四根機翼，無人機的重心即幾何重心；④不考慮風環(huán)境影響，不考慮空氣阻力及大氣流擾動影響。通過對四個電機旋翼轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)來調(diào)整升力，控制偵察無人機飛行器的姿態(tài)。

電機1和電機3在逆時針旋轉(zhuǎn)的時候，電機2和電機4進行順時針旋轉(zhuǎn)，消除陀螺效應及空氣動力扭矩效應飛行狀態(tài)：

（1）垂直運動：增加四個電機的輸出功率，旋翼轉(zhuǎn)速增加，總拉力增大，克服整機的重力，使得偵查無人機能夠離地垂直上升；降低四個電機的輸出功率，旋翼轉(zhuǎn)速下降，總拉力下降，偵查無人機垂直下降。

（2）俯仰運動：提升電機1的轉(zhuǎn)速，降低其他三個電機的轉(zhuǎn)速保持不變，則偵查無人機進行俯仰運動。

（3）翻轉(zhuǎn)運動：改變電機2和電機4的轉(zhuǎn)速，電機1和電機3的轉(zhuǎn)速保持不變，則偵查無人機進行翻轉(zhuǎn)運動。

（4）轉(zhuǎn)向運動：將對角線上兩個旋翼的轉(zhuǎn)動方向調(diào)整為一致，四個電機轉(zhuǎn)速不完全相同，則發(fā)生轉(zhuǎn)向運動。

（5）前后運動：提升電機3的轉(zhuǎn)速，減小電機1的轉(zhuǎn)速，電機2和電機4轉(zhuǎn)速不變，則偵查無人機進行前后運動。

（6）側(cè)向運動；提升電機2或電機4轉(zhuǎn)速，相對應減小電機4或電機2轉(zhuǎn)速，其他兩個電機轉(zhuǎn)速不變，則進行側(cè)向運動。

1.2 模型建立

1.2.1 地面坐標系的建立

建立地面坐標系，將地面上某個固定的點作為地面坐標系原點，設鉛垂軸向上AZ為正，橫軸AX與縱軸AY在水平面內(nèi)呈相互垂直的關(guān)系，航程L用AXd來表示，側(cè)相偏離（向右為正，向左為負）H用AYd來表示飛行高度Z用AZd來表示。

1.2.2 動力學模型

動力學模型建立如圖1所示。將機體中心作為坐標原點，GPS箭頭所指方向為x軸方向，將x軸順時針旋轉(zhuǎn)90°為y軸方向，與xy平面垂直為z軸方向。在圖中，為偏航角，為俯仰角，T為螺旋槳推力，F(xiàn)為空氣阻力。

2 仿真

本文以Matlab/Simulink平臺為基礎對模型進行動態(tài)仿真，懸停飛行是偵查無人機主一種重要的飛行模式，因此對懸停模式進行仿真。四旋翼偵察無人機是一個強耦合動力學模型，對其飛行模式的直接控制有著較大難度，為了實現(xiàn)控制，解耦模型，分解為高度、俯仰角、偏航角和滾轉(zhuǎn)角四個通道，分別進行控制。

相較于其他控制方法來說，PID控制有著結(jié)構(gòu)簡單、實現(xiàn)容易、穩(wěn)定性與可靠性高等優(yōu)勢，通過對比例、微積分系數(shù)等的調(diào)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)良好的控制效果，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通過跟蹤控制能夠有效抑制外部干擾對系統(tǒng)的影響。因此，本文在建立的四旋翼偵察無人機模型的基礎上，采用PID跟蹤控制方式，對模型懸停模式進行有效的控制，主要設計了四個通道PID跟蹤控制系統(tǒng)。

仿真過程中采用四旋翼偵察無人機參數(shù)表，以系統(tǒng)框圖為基礎在Matlab/Simulink平臺搭建系統(tǒng)仿真模型，以實驗湊試法來對PID參數(shù)進行整定，反復進行試湊調(diào)試，指導控制效果達到要求為止。

通過得到的仿真曲線可知，超調(diào)量都控制在0.2之內(nèi)，需要經(jīng)過1s的高度調(diào)整時間才能夠保證偵查無人機達到預期穩(wěn)定狀態(tài)，在1s調(diào)整的過程中出現(xiàn)抖動相對較大，但不會影響偵查無人機的飛行安全。從姿態(tài)角方面來看，其達到穩(wěn)態(tài)的速度相對較快，調(diào)整時間僅需0.3s。通過仿真結(jié)果可以看出，以PID控制器對四旋翼偵察無人機進行控制效果良好，能夠控制高度、仰俯角、偏航角及滾轉(zhuǎn)角，保證偵查無人機處于懸停的狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差較低，趨近于0，且系統(tǒng)的穩(wěn)定性良好。

3 結(jié)語

綜上所述，本文以四旋翼偵察無人機為主要研究對象，進行了其動力學模型的建立，之后以Matlab/Simulink平臺為基礎對模型進行動態(tài)仿真，仿真結(jié)果表明，以PID控制器對四旋翼偵察無人機進行控制有著良好的控制效果。

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