无人机飞行控制方法研究现状与发展

摘要院近年来袁无人机凭借着体积小尧适应能力强尧隐蔽性好尧可代替人的替代性以及可重复使用等优势逐渐在军事尧民用和科技等领域被使用袁成为国内外研究的热点遥无人机分为旋翼式无人飞行器和固定式无人飞行器袁本文将针对微小型旋翼式无人飞行器要要要四张庆旋翼进行探讨袁分析其控制方法尧研究现状及未来发展遥关键词院无人机曰飞行控制方法曰研究现状与发展中图分类号院V279文献标志码院A1国内外研究现状及发展动态

Breguet-Richet四旋翼飞行器在十的钢管组成的野十字旋翼架机构1九成号世的冶遥纪初袁1907旋由翼年机Breguet首的次主实现体架兄弟了构研制出来袁称作带是着由四驾驶根焊员接升空袁很大程度上推动了四旋翼飞行器的发展遥1956年的时候袁纽约的Amitycille.Convertawings通过对螺旋桨转速的改造袁造出了一架有两个发动机的四旋翼飞行器遥当时的飞行器大多以载人的四旋翼飞行器为主袁稳定性和其它的性能都比较差袁几乎没有实用性和操作性遥

近年来袁随着先进的控制理论尧空气动力学理论尧微电子技术以及材料技术等专业的发展袁以四旋翼无人飞行器为代表的多旋翼无人飞行器的研究热潮再次被掀起袁并取得了很多研究成果遥如美国宾夕法尼亚大学GRASP实验室抛弃传统的感应设置袁通过运用红外传感器和摄像头来测量飞行姿势和位置设计的能够平稳飞行尧识别障碍目标袁实现协同编队任务的四旋翼无人机就取得了很好的操控效果遥

STARMAC斯坦福四旋翼无人I机型大系和学的统STARMAC无人机研究的传感器都II采型的小组用了四旋也IMU翼先尧无人后设GPS机计尧声系了纳统两等袁套名为模这块两袁套可以和地面的基站进行无线通讯袁并且都拥有上下层控制结构袁载重量可达1公斤遥麻省理工学院也很早就开始了对四旋翼无人飞行器的研究袁开展的无人机集群健康管理计划主要是依靠地面的遥控设备来实现多架无人机在动态环境中的协作配合遥这种四旋翼无人机安装了IMU惯性测量单元反馈姿态信息袁可以去感知周围的环境袁对激光扫描的序列进行重建袁进而来对航迹进行规划[1]可见袁遥

国外的很多研究机构很早就对四旋翼无人机进行了研发袁但是在复杂的自然环境中实行全自动的飞行依旧是一个很大的挑战22.1基自主本结构和遥

飞行的控制

飞行原理

四旋翼无人机实现精确航迹跟踪是无人机自主飞行最基本的要求遥因为四旋翼无人机本身的姿态和平动的耦合关系还有不确定的模型参数以及外部环境的干扰袁所以要想实现精确有效的航迹跟踪就必须要实现姿态的稳定控制遥姿态的稳定控制是四旋翼无人机的自主控制系统中飞行器可以实现自主飞行的基础遥它的主要职责是控制四旋翼无人机俯仰角尧滚转角及偏航角这三个姿态角度袁稳定的去追踪信号遥因为四旋翼无人机姿态与平动的耦合特点袁能得出只有保证了对姿态的稳定控制袁旋翼在上升的时候才会产生分量袁朝着所期望的方向飞行袁才能对飞行的轨迹进行控制遥然而四旋翼无人机的飞行姿态很容易受到外部环境的干扰和模型参数不够准确带来的误差袁从而影响对

作者简介院张庆渊1987要冤袁女袁湖北武汉人袁硕士研究生袁讲师袁研究

方向院机械遥

文章编号院1672-3872(2019)11-0029-02

航行轨迹的控制遥所以袁需要恰当的将观测器和控制器引入进来对不确定性进行评估袁并对估计的误差进行补偿袁来保证四旋翼无人机在买对外部环境的干扰的时候依旧能够实现精确尧有效地稳定跟踪遥可以根据四旋翼无人机工作的特定和动力学的模型有针对性的对航行姿态俯仰尧翻滚和偏航三个通道来对姿态控制器分别进行设计袁来实现对四旋翼无人机的姿态控制遥这样可以保证在每一个通道上的姿态都符合期望的姿态遥但是在对模型自身进行操控的时候一定要考虑外部环境的不确定造成的影响遥小型的无人机在飞行的时候袁往往会因为体积过小袁电机振动力较强袁容易受到外部环境的干扰袁产生观察的误差遥所以在进行设计的时候一定要提前考虑到模型的误差尧环境的干扰及观察的误差等不确定的因素对系统闭环性功能的降低遥在进行设计的时候提前考虑到系统的抗干扰能力遥可以设计一个干扰补偿器对干扰进行逼近和补偿法实用性分析

袁实现追踪的稳定和有效[2]2.2稳定控制算遥

虽然四旋翼无人机姿态稳定可控在理论上具有可行性袁但是在实际操作中还是存在着一些问题遥比如非线性控制器计算量过大袁反步法涉及到它系统之间的众多虚拟控制量的求导遥而且观测器的参数也需要不断地更新和计算袁这就进一步增加了控制器的负担遥四旋翼无人机作为一种小微型的飞行器袁在运算能力山是有限的袁所以反步法的非线性控制器是比较难以实现的袁这就限制了这一控制器的使用性遥要想对四旋翼无人机实现稳定的姿态控制袁就需要从实用的角度设计一个有利于实现工程的控制器遥这个控制器可以从对干扰进行观测的角度出发满足及时性尧自我适应性等要求遥快的反应速度是无人机一个很重要的特征遥这就要求控制器必须在短时间内可以对外界的干扰和期望的信号作出计算袁这里面算法和计算过程的复杂晨读直接关系着无人机的反应速度遥另外袁无人机的结构特点是时常变化的袁如股票对算法的控制知识去依靠数学模型遥那它控制的精准度一定会受到参数的影响袁随着参数的变化而改变遥这就要求对无人机模型的建立要分析其干扰项袁不但在理论上对反步法的非线性控制器进行仿真分析还要对补偿器的自我适应算法进行合理的设计袁使其具有使用性[3]2.3无人机数学模型的建立与仿遥

真

虽然四旋翼无人机的结构很简单袁但它使用的四个驱动单元实现六个自由度的运动则显示出了其机动上的欠驱动性和耦合性遥所以袁对于四旋翼无人机数学模型的构建是对其运动特点进行研究的前提遥首先是电机的数学模型的构建遥电机作为文人及的直接驱动单元袁它的特点将会直接关系着无人机的运动特点遥电机作为执行器一定会存在迟钝和饱和的等性能的限制袁那么怎么样将他的特点表达出来显得尤为重要遥其次袁是构建无人机运动的数学模型遥在设置好的坐标体系下构建四旋翼无人机四个电机旋转的速度和它自身姿态之间的关系公式是对控制方案进行研究控制的前提条件遥不要为了实现简单的特点反而把关键的特点给忽视掉袁或者是为了过渡的准确把所有的因素全

部都考虑进去袁这些都对模型的构建和使用

渊下转第31页冤2019年6月上ForumofSouthChina南方论坛31是针对我国野三农冶问题提出的一种乡村综合发展模式袁重点在于调动乡村合作社与农民的力量袁对农业产业进行综合开发袁构建以野农冶为核心的乡村发展架构遥而乡村度假则主要从旅游的角度提出袁它是乡村休闲尧乡村旅游的高级发展形态袁在包含田园综合体原有发展模式的基础上袁更加强调其休闲度假的动能袁讲究旅游效益的最大化袁是升级版的野田园综合体冶遥

在正式探讨发展路径之前袁笔者认为首需对当今田园综合体的发展误区做必要探讨遥由国内现有的田园综合体的发展现状来看袁主要有以下几个方面的体现院

重规划袁轻策划遥目前大多田园综合体项目的建设都普遍存在一个误区袁认为规划就等于策划袁以为一个规划文本就能解决田园综合体所有的发展问题袁往往在田园综合体的打造过程中倾向于景观及硬件设施的打造袁规划完成后袁发现重金打造的项目根本无法运营袁建成后的综合体缺乏具有吸引力的产品与业态袁仅能供游客游玩参观袁不能产生旅游消费行为遥

野政绩工程冶明显袁缺乏后续维护和运营遥由于上级政府的要求以及自身政绩的需求袁目前大多数政府在打造田园综合体项目中均有操之过急的现象袁往往在半年甚至是数月之内就将规划项目打造完毕遥项目建成后却缺乏专业的团队对其运营管理袁导致后续的招商引资困难袁维护成本过高袁久而久之袁逐渐成为闲置资源遥

同质化严重袁缺乏特色遥如同景区一样袁国内田园综合体的建设如火如荼袁打造质量也是层次不齐袁很多田园综合体的规划创新性不够袁项目打造同质化严重袁规划思路和规划原则类似袁区域定位尧形象以及发展目标均大同小异遥个性缺失袁缺乏特色遥运营前置袁策划先行遥田园综合体不是简单的市政工程袁亦不是政府的业绩工程袁需要经过系统的策划尧规划尧投资尧建设尧运营等步骤袁历经数年的精心打造方能看见成效遥目前市场上普遍存在着野规划不对投资负责袁投资不对运营负责冶的窘境遥一方面袁政府或开发商在打造田园综合体之时袁只做规划袁忽略策划曰另一方面目前市场上大多数的规划只玩概念袁落地性不强遥因此要想真正挖掘出田园综合体的价值袁实现往乡村度假模式的转

2.3田园综合体到乡村度假的发展路径2.3.1有关田园综合体发展误区的探讨

变袁应在规划之前从落地运营的角度做好策划工作袁打造可运营尧可收益的野升级版的综合体冶遥

IP植入袁集群发展遥目前大多数田园综合体野骨架完整冶袁却缺乏野血肉填充冶遥景观及基础设施打造基本成型袁产品却供应不足袁缺乏极具核心吸引力的度假产品遥近些年随着旅游投资浪潮的高涨袁大多数田园综合体产品雷同袁如出一辙袁市场上传统的度假产品已经满足不了游客多元化的需求遥应根据当地的旅游资源和环境袁改变原有重资产的投资方式袁挖掘或植入具有当地特色的自带流量的IP度假产品袁构建IP度假产品矩阵袁为游客创造多样化的乡村生活方式遥

丰富业态袁完善消费层级遥由于产品单一的缘由袁大多数田园综合体的业态类型与层级均较为单一袁游客在此更多是以游览观光尧休闲健身为主袁远不能满足其度假生活的需要遥由此袁需要针对不同层级的游客群体袁根据他们的度假需求及消费欲望袁打造不同业态类型的产品袁构建全产业链生态体系遥

生态保护袁塑造原乡意境遥乡村度假最重要的是度假地所依托的自然资源与周边的环境袁田园综合体建设过程中难免会对当地的农田尧植被尧河流等有一定程度的破坏遥对于已完工的基础设施及相关项目袁应进行相关的生态修复工作袁恢复原貌的同时进行适当美化曰对于在建或拟建的项目则应谨慎处理袁尽量避免造成环境破坏袁与周边环境形成突兀遥

3

2.3.2田园综合体到乡村度假的发展路径

野三农冶问题是关系我国国计民生的根本性问题袁乡村振兴作为统筹城乡发展的重要抓手袁是我国未来30年的最重要的政治任务和发展战略遥本文从田园综合体的解析入手袁着重从旅游的角度对乡村振兴的路径予以了探讨袁以期我国乡村振兴能够早日实现遥

[1]中共中央尧国务院.中共中央国务院关于实施乡村振兴战略的意见[Z].2018-01-02.

[2]中央农村工作领导小组办公室.国家乡村振兴战略规划渊2018要2022年冤[Z].2018-09-26.

[3]张诚.解读新田园主义[J].中国房地产袁2017(26)院18-20.

[4]国家农业综合开发办公室.关于开展田园综合体建设试点工作的通知[Z].2017-12-09.

结语

参考文献院

渊上接第29页冤

没有好处遥因此袁想要建立一个难度复杂程度

都合适并且准确度还高的模型是把它所有关键的运动特点表达出的前提也是实现精准控制的前提遥另外还有仿真平台的建立遥把推算出来的数学模型在数学方针的软件上进行表述和仿真是对它准确性进行检验的一个重要手段袁也是之后实现对其控制仿真的一个前提[4]遥

信号反馈控制飞行器跟踪预定轨迹来实现四旋翼无人飞行器轨迹跟踪控制是十分有必要的遥所以袁针对四旋翼的轨迹跟踪和飞行控制方法进行深入的研究具十分有要的实用价值和意义遥

参考文献院

3小结

无人机除了可以在飞行的过程中调节到指定的位子和姿态外还可以运用到一些特殊的情境之中袁可以执行一些专门路径下的航空拍摄人物或者在信号干扰能力强的地方进行巡行任务袁所以对无人机的路径进行规划和追踪具有重要的意义遥但是因为在路径追踪的时候容易受到各种外部环境的影响致使无人机不能够按照预定的路线进行任务袁所以利用飞行器实时位置

[1]岳基隆.四旋翼无人机自适应控制方法研究[D].长沙院国防科学技术大学袁2010.

[2]姜洋.四旋翼垂直起降机的鲁棒控制问题研究[D].哈尔滨院哈尔滨工业大学袁2009.

[3]聂博文.微小型四旋翼无人直升机建模及控制方法研究[D].长沙院国防科学技术大学袁2006.

[4]聂博文袁马宏绪袁王剑袁等.微小型四旋翼飞行器的研究现状与关键技术[J].电光与控制袁2007(6)院113-117.