无人机关键技术

旋翼飞行器控制到底有哪些关键技术难点

（1）机体优化设计问题。对于四旋翼飞行器机体设计时，主要考虑飞行器的质量、能耗及体积等因素。飞行器的质量与能耗及体积之间相互影响，因此首先需要确定飞行器机体参数，然后选择合适的直流无刷电机、螺旋桨及电池等材料。

（2）难以建立精确的四旋翼飞行器模型。建立精确的飞行器模型是研究飞行器控制算法的基础和前提，但由于四旋翼飞行器是一个强耦合、多变量的非线性复杂系统，同时在飞行过程中很难获得准确的空气动力学参数，且飞行器容易受到空气阻力和风速的影响，因此很难建立精确的四旋翼飞行器模型。

（3）飞行器所使用的传感器采集到的姿态数据存在误差。例如：陀螺仪采集角速度时存在零漂误差和温漂误差；加速度计采集角加速度时存在振动误差和零漂误差；当飞行器处于低空飞行情况下，采用气压高度计采集高度信息存在较大的误差。这些因素都会对飞行器姿态信息和位置信息的测量产生影响，进而影响飞行器的控制性能。

（4）飞行器控制算法设计。目前针对四旋翼飞行器控制算法的研究有很多，主要有经典PID控制算法、H¥控制算法、反步法等等。飞行器算法性能主要是从响应速度、稳定性及超调量等方面进行衡量，但响应速度、稳定性及超调量这三者之间相互影响、相互制约。

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飞行原理就不多讲了，飞行器的飞行姿态多种多样，有花式摇摆，大雁南归，飞流直下等多种方式；

主体为定义机体坐标系和惯性坐标系，根据牛顿定理对四旋翼飞行器进行受力分析，采用欧拉角描述飞行器姿态并结合四旋翼飞行器运动方程，通过推导得出飞行器的非线性数学模型，控制四种基本的飞行状态，分别为垂直方向运动、横滚运动、俯仰运动、偏航运动；

那么我们来讲一下飞行器的几种控制算法；

1.PID的飞行控制算法

由于四旋翼飞行器的角运动与线运动之间存在耦合关系，所以将四旋翼飞行器控制系统分为内环姿态控制和外环位置控制，采用经典PID控制算法分别对其进行控制，最终实现四旋翼飞行器稳定飞行。

PID控制器是一种线性控制器，PID控制算法在控制过程中，通过控制调节参数对误差量进行校正，使系统误差渐进稳定，实现系统稳定。

主要从超调量、响应速度及鲁棒性等方面考虑，调节比例、积分和微分系数的大小，从而改善PID控制算法的控制性能。

基于PID的姿态控制：通过航姿测量系统得到飞行器飞行过程的实时姿态数据，将实时的姿态数据反馈到输入端，与设定目标姿态数据进行对比得到姿态角误差。PID控制器不断的调节姿态角误差，实现对四旋翼飞行器姿态稳定控制

基于PID的位置控制：将航姿参考系统的姿态信号与位置信号反馈到输入端，构成闭环反馈系统，实现对四旋翼飞行器姿态和位置的双环控制，通过PID控制算法对姿态和位置信号的误差不断的调节，使飞行器的姿态稳定并按照设定的位置和轨迹稳定飞行。

总结分析：该控制方法具有响应速度快的优点，但在控制过程中存在超调量较大、鲁棒性差的问题。

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2.基于PID的模糊PID的飞行控制算法

模糊PID控制方法是一种非线性控制方法，与PID控制器不同的是它不需要知

道被控制对象精确模型，只需要利用专家知识和相关工程师的经验设定相应的输入输出规则。在控制过程中，将系统误差转换到模糊域中，根据误差及误差变化率的大小，通过查询设定的模糊控制表，得到对应的比例系数，积分系数及微分系数，然后进行PID控制调节。相较于传统PID控制算法，它通过将系

统误差转化到模糊域，能智能地根据系统误差的大小，选择合适的调节参数对系统误差进行校正。

总结分析：模糊PD控制算法相较于模糊PID控制算法具有响应速度较快、超调量小及鲁棒性好的优点，能够实现对四旋翼飞行器稳定控制，具有较好的控制性能。

这让我想起了模糊搜索为什么比精确搜索更实用；然而他们并没有什么毛关联；---------------------------------------------------------------------------------

3.基于反步滑模的飞行控制算法

反步法（Backstepping）的基本设计思路是，针对满足严格反馈结构的系统，首先将复杂的非线性系统分解成不超过系统阶数的子系统，然后针对每个子系统分别设计李雅普诺夫（Lyapunov）函数和中间虚拟控制量。然后在下一个子系

统的设计中，将上一个子系统的虚拟控制律作为这个子系统的跟踪目标，依此类推，它利用系统的结构特性，递推构造出整个系统的Lyapunov函数。

滑模变结构控制的基本原理是：基于低阶模型设计滑膜面，然后运动轨迹能够在限定时间内进入滑膜面，并且在后面时间的运动都保持在该滑膜面内。滑模变结构控制能够解决因数学模型精度及外部干扰带来的影响。

利用反步方法对飞行器姿态进行控制，根据Lyapunov稳定性定理证明该控制算法具有较好的鲁棒性；利用滑模变结构控制算法对四旋翼飞行器位置进行控制。将反步控制算法与滑膜控制算法相结合，实现对四旋翼飞行器进行控制。

总结分析：反步滑模控制算法具有超调量小，鲁棒性好、响应速度较快的特点。四旋翼飞行器系统结构框图