侦察无人机控制建模

【摘 要】侦查无人机自主飞行一直备受航空领域相关研究者的关注，研究人员一直在需求一种高效、简单、精确的侦查无人机飞行控制模型，这对于提升飞行器的飞行性能有着重要的作用。本文进行了侦查无人机动力学模型的建立，和动态仿真，通过仿真结果表明，以PID控制器对四旋翼侦察无人机进行控制效果良好。

【关键词】侦查无人机 动力学模型 仿真 控制

四旋翼侦察无人机在飞行控制原理、负载能力等各个方面都有着较大优势，是一种典型的、极具优势的侦查无人机，在军事、民用等领域都有着广泛的应用。本文以四旋翼侦察无人机为例，探讨了侦查无人机控制建模的相关问题，旨在进一步促进我国侦查无人机的应用和发展。

1 侦查无人机的动力学模型建立

1.1 模型假设

以四旋翼侦察无人机为例：①将飞机视为钢体，运动过程中不发生弹性形变；②四个电机电流稳定，且提供的升力一致；③采用正交方式安装四根机翼，无人机的重心即几何重心；④不考虑风环境影响，不考虑空气阻力及大气流扰动影响。通过对四个电机旋翼转速的调节来调整升力，控制侦察无人机飞行器的姿态。

电机1和电机3在逆时针旋转的时候，电机2和电机4进行顺时针旋转，消除陀螺效应及空气动力扭矩效应飞行状态：

（1）垂直运动：增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加，总拉力增大，克服整机的重力，使得侦查无人机能够离地垂直上升；降低四个电机的输出功率，旋翼转速下降，总拉力下降，侦查无人机垂直下降。

（2）俯仰运动：提升电机1的转速，降低其他三个电机的转速保持不变，则侦查无人机进行俯仰运动。

（3）翻转运动：改变电机2和电机4的转速，电机1和电机3的转速保持不变，则侦查无人机进行翻转运动。

（4）转向运动：将对角线上两个旋翼的转动方向调整为一致，四个电机转速不完全相同，则发生转向运动。

（5）前后运动：提升电机3的转速，减小电机1的转速，电机2和电机4转速不变，则侦查无人机进行前后运动。

（6）侧向运动；提升电机2或电机4转速，相对应减小电机4或电机2转速，其他两个电机转速不变，则进行侧向运动。

1.2 模型建立

1.2.1 地面坐标系的建立

建立地面坐标系，将地面上某个固定的点作为地面坐标系原点，设铅垂轴向上AZ为正，横轴AX与纵轴AY在水平面内呈相互垂直的关系，航程L用AXd来表示，侧相偏离（向右为正，向左为负）H用AYd来表示飞行高度Z用AZd来表示。

1.2.2 动力学模型

动力学模型建立如图1所示。将机体中心作为坐标原点，GPS箭头所指方向为x轴方向，将x轴顺时针旋转90°为y轴方向，与xy平面垂直为z轴方向。在图中，为偏航角，为俯仰角，T为螺旋桨推力，F为空气阻力。

2 仿真

本文以Matlab/Simulink平台为基础对模型进行动态仿真，悬停飞行是侦查无人机主一种重要的飞行模式，因此对悬停模式进行仿真。四旋翼侦察无人机是一个强耦合动力学模型，对其飞行模式的直接控制有着较大难度，为了实现控制，解耦模型，分解为高度、俯仰角、偏航角和滚转角四个通道，分别进行控制。

相较于其他控制方法来说，PID控制有着结构简单、实现容易、稳定性与可靠性高等优势，通过对比例、微积分系数等的调节能够实现良好的控制效果，保证系统的稳定性，通过跟踪控制能够有效抑制外部干扰对系统的影响。因此，本文在建立的四旋翼侦察无人机模型的基础上，采用PID跟踪控制方式，对模型悬停模式进行有效的控制，主要设计了四个通道PID跟踪控制系统。

仿真过程中采用四旋翼侦察无人机参数表，以系统框图为基础在Matlab/Simulink平台搭建系统仿真模型，以实验凑试法来对PID参数进行整定，反复进行试凑调试，指导控制效果达到要求为止。

通过得到的仿真曲线可知，超调量都控制在0.2之内，需要经过1s的高度调整时间才能够保证侦查无人机达到预期稳定状态，在1s调整的过程中出现抖动相对较大，但不会影响侦查无人机的飞行安全。从姿态角方面来看，其达到稳态的速度相对较快，调整时间仅需0.3s。通过仿真结果可以看出，以PID控制器对四旋翼侦察无人机进行控制效果良好，能够控制高度、仰俯角、偏航角及L转角，保证侦查无人机处于悬停的状态，系统稳态误差较低，趋近于0，且系统的稳定性良好。

3 结语

综上所述，本文以四旋翼侦察无人机为主要研究对象，进行了其动力学模型的建立，之后以Matlab/Simulink平台为基础对模型进行动态仿真，仿真结果表明，以PID控制器对四旋翼侦察无人机进行控制有着良好的控制效果。

参考文献：

[1]黄华，陆汉城，徐幼平，邓志武.风场扰动对无人机控制/导航影响效应仿真[J].理工大学学报（自然科学版），2012，05：565-570.

[2]魏瑞轩，茹常剑，祁晓明.通信延迟条件下无人机编队重构的自主安全控制[J].控制理论与应用，2013，09：1099-1108.