CN102915037B - 基于混合控制的四旋翼无人机增稳控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了自动控制技术领域中的一种基于混合控制的四旋翼无人机增稳控制器的设计方法。包括：设定四旋翼无人机状态变量和状态切换参数；设定四旋翼无人机的高度切换值、滚转角切换值、俯仰角切换值、滚转角临界值和俯仰角临界值；设定离散状态集合和离散事件集合；设定四旋翼无人机离散状态迁移条件；判断四旋翼无人机的状态，并根据其状态分别设计起降控制器、平稳控制器、增稳控制器和失控保护装置。本发明可确保无人机在复杂条件下的稳定飞行，有效地避免失控情况的发生，改善飞机的飞行状态。

Description

基于混合控制的四旋翼无人机增稳控制方法

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，尤其涉及一种基于混合控制的四旋翼无人机增稳控制方法。

背景技术

四旋翼无人机是一种能够垂直起降的、多旋翼式的新型无人飞行器。与常规旋翼式飞行器相比，四旋翼无人机的结构更为紧凑，能够产生更大升力，具有操控方便、机动灵活、噪音小、隐蔽性好等特点，无论是在军事领域还是在民用领域，都具有十分广阔的应用前景。

但是由于大部分四旋翼无人机体积小、重量轻，因此在飞行时信噪比较大。并且该种无人机是一个具有六个自由度，而只有四个控制输入的欠驱动系统，具有非线性、多变量、强耦合和抗干扰能力弱的特性，因此使得飞行控制器设计变得非常困难。目前，国内外研究机构针对以上问题设计的单一飞行控制器大多只能在实验室内部无风环境下飞行，对于实验室外或实际工程中的复杂环境，尚没有一种控制器可以支持不同环境下的稳定飞行。

本发明设计了一种四旋翼无人机增稳混合控制方法，它应用混合控制的思想，将三个PID控制器和一个信号发生器相结合，可实现四旋翼无人机在起降、有风情况下切换相应的控制器，提高系统响应速度达到增稳的目的。并且当无人机失控时，信号发生器可激活失控保护装置，避免无人机坠毁。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种基于混合控制的四旋翼无人机增稳控制方法，用以解决目前设计的四旋翼无人机无法在复杂条件下稳定飞行的问题。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种基于混合控制的四旋翼无人机增稳控制方法，其特征是所示方法包括：

步骤1：设定四旋翼无人机飞行状态变量并选取状态切换参数；

所述四旋翼无人机飞行状态变量包括：四旋翼无人机的经度x、纬度y、高度z、滚转角φ、俯仰角θ和偏航角ψ；

所述四旋翼无人机状态切换参数包括：四旋翼无人机的高度z、滚转角φ和俯仰角θ；

步骤2：设定四旋翼无人机的状态切换参数值，其中包括：高度切换值z_T、滚转角切换值φ_T、俯仰角切换值θ_T、滚转角临界值φ_max和俯仰角临界值θ_max；

步骤3：设定离散状态集合包括元素：起降飞行状态、正常飞行状态、增稳飞行状态和失控保护状态；

步骤4：设定离散状态迁移过程和其对应的离散事件集合；其中，所述离散状态迁移过程包括：起降飞行状态迁移至正常飞行状态、起降飞行状态迁移至增稳飞行状态、正常飞行状态迁移至起降飞行状态、正常飞行状态迁移至增稳飞行状态、正常飞行状态迁移至失控保护状态、增稳飞行状态迁移至起降飞行状态、增稳飞行状态迁移至正常飞行状态和增稳飞行状态变迁移至失控保护状态；所述离散事件集合为离散状态迁移过程所对应的事件组成的集合；

步骤5：设定四旋翼无人机离散状态迁移条件，包括：

当四旋翼无人机的高度z≤z_T时，四旋翼无人机处于起降飞行状态；

当四旋翼无人机的高度z＞z_T并且滚转角0≤φ≤φ_T或者俯仰角0≤θ≤θ_T时，四旋翼无人机迁移至平稳飞行状态；

当四旋翼无人机的高度z＞z_T并且滚转角φ＞φ_max或者俯仰角θ＞θ_max时，四旋翼无人机迁移至失控保护状态；

当四旋翼无人机的高度z＞z_T并且滚转角φ_T＜φ≤φ_max或者俯仰角θ_T≤θ≤θ_max时，四旋翼无人机迁移至增稳飞行状态；

步骤6：判断四旋翼无人机的状态，当四旋翼无人机处于起降飞行状态时，执行步骤7；当四旋翼无人机迁移至平稳飞行状态时，执行步骤8；当四旋翼无人机迁移至增稳飞行状态时，执行步骤9；当四旋翼无人机迁移至失控保护状态时，执行步骤10；

步骤7：设计起降控制器，对起降控制器进行PID参数整定，使系统响应时间小于第一设定值；

步骤8：设计平稳控制器，对平稳控制器进行PID参数整定，使系统超调量小于第二设定值；

步骤9：设计增稳控制器，对增稳控制器进行PID参数整定，使系统响应时间小于第三设定值；

步骤10：设计失控保护装置，将四旋翼无人机的飞行控制器输出与信号发生器连接，信号发生器输出连接降落伞弹出装置。

所述对起降控制器进行PID参数整定具体是，设定比例系数，微分时间常数和积分时间常数。

所述对平稳控制器进行PID参数整定具体是，设定比例系数，微分时间常数为和积分时间常数。

所述对增稳控制器进行PID参数整定具体是，设定比例系数，微分时间常数和积分时间常数。

本发明根据四旋翼无人机状态切换参数确定四旋翼无人机的状态，并根据四旋翼无人机的状态整定相应的控制器，其可确保无人机在复杂条件下的稳定飞行，有效地避免失控情况的发生，改善飞机的飞行状态。

附图说明

图1是基于混合控制的四旋翼无人机增稳控制方法流程图；

图2是四旋翼无人机坐标图；

图3是状态迁移示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是基于混合控制的四旋翼无人机增稳控制方法流程图。图1中，本发明提供的基于混合控制的四旋翼无人机增稳控制方法包括：

步骤1：设定四旋翼无人机飞行状态变量并选取状态切换参数。

四旋翼无人机状态变量为S＝{x,y,z,φ，θ，ψ}，其中x为四旋翼无人机的经度，y为四旋翼无人机的纬度，z为四旋翼无人机的高度，φ为四旋翼无人机的滚转角，θ为四旋翼无人机的俯仰角，ψ为四旋翼无人机的偏航角。

四旋翼无人机状态变量为可以对四旋翼无人机飞行姿态描述的变量。四旋翼无人机的滚转角为机体绕X轴转动的夹角；四旋翼无人机的俯仰角为机体绕Y轴转动的夹角；四旋翼无人机的偏航角为机体绕Z轴转动的夹角，如图2所示。

选取四旋翼无人机状态切换参数包括：四旋翼无人机的高度z、滚转角φ和俯仰角θ。

步骤2：设定四旋翼无人机的高度切换值z_T＝1.85米，滚转角切换值φ_T＝0.59弧度，俯仰角切换值θ_T＝0.59弧度，滚转角临界值φ_max＝1.02弧度和俯仰角临界值θ_max＝1.02弧度。

步骤3：设定离散状态集合Q＝{q₁,q₂,q₃,q₄}。

其中，q1为起降飞行状态，q2为正常飞行状态，q3为增稳飞行状态，q4为失控保护状态。

步骤4：设定离散状态迁移过程和其对应的离散事件集合∑＝{w₁₂,w₁₃,w₂₁,w₂₃,w₂₄,w₃₁,w₃₂,w₃₄}。

离散状态迁移过程包括：w₁₂为起降飞行状态迁移至正常飞行状态，w₁₃为起降飞行状态迁移至增稳飞行状态，w₂₁为正常飞行状态迁移至起降飞行状态，w₂₃为正常飞行状态迁移至增稳飞行状态，w₂₄为正常飞行状态迁移至失控保护状态，w₃₁为增稳飞行状态迁移至起降飞行状态，w₃₂为增稳飞行状态迁移至正常飞行状态，w₃₄为增稳飞行状态变迁移至失控保护状态。

离散事件集合为离散状态迁移过程所对应的事件组成的集合，即离散事件集合∑＝{w₁₂,w₁₃,w₂₁,w₂₃,w₂₄,w₃₁,w₃₂,w₃₄}。

步骤5：如图2所示，设定四旋翼无人机离散状态迁移条件，包括：

当四旋翼无人机的高度z≤1.85米时，四旋翼无人机处于起降飞行状态。

当四旋翼无人机的高度z＞1.85米并且滚转角0≤φ≤0.59弧度或者俯仰角0≤θ≤0.59弧度时，四旋翼无人机迁移至平稳飞行状态。

当四旋翼无人机的高度z＞1.85米并且滚转角φ＞1.02弧度或者俯仰角θ＞1.02弧度时，四旋翼无人机迁移至失控保护状态。

当四旋翼无人机的高度z＞1.85米并且滚转角0.59＜φ≤1.02弧度或者俯仰角0.59≤θ≤1.02弧度时，四旋翼无人机迁移至增稳飞行状态。

步骤6：判断四旋翼无人机的状态，当四旋翼无人机处于起降飞行状态时，执行步骤7；当四旋翼无人机迁移至平稳飞行状态时，执行步骤8；当四旋翼无人机迁移至增稳飞行状态时，执行步骤9；当四旋翼无人机迁移至失控保护状态时，执行步骤10；

步骤7：设计起降控制器，对起降控制器进行PID参数整定，从而使系统响应时间小于第一设定值。在本实施例中，取第一设定值为1.5秒，为满足系统响应时间小于1.5秒，可设定比例系数为0.005，微分时间常数为0.25，积分时间常数为0.003。

当四旋翼无人机的高度z≤z_T时，系统将采用起降控制器。起降控制器为四旋翼无人机在起飞或降落时应用的控制器，起降控制器的鲁棒性较好，可以抵抗地面效应对四旋翼无人机的干扰。

步骤8：设计平稳控制器，对平稳控制器进行PID参数整定，从而使系统超调量小于第二设定值。在本实施例中，取第二设定值为10%，为满足系统超调量小于10%，可设定比例系数为0.01，微分时间常数为0.16，积分时间常数为0.005。

当四旋翼无人机的高度z＞z_T并且滚转角0≤φ≤φ_T或者俯仰角0≤θ≤θ_T时，系统采用平稳控制器。平稳控制器为四旋翼无人机在无风或微风环境下采用的控制器，平稳控制器的控制效果较柔和，可避免四旋翼无人机发生抖动。

步骤9：设计增稳控制器，对增稳控制器进行PID参数整定，从而使系统响应时间小于第三设定值。在本实施例中，取第三设定值为0.5秒，为满足系统响应时间小于0.5秒，可设定比例系数为0.025，微分时间常数为0.35，积分时间常数为0.001。

当四旋翼无人机的高度z＞z_T并且滚转角φ_T＜φ≤φ_max或者俯仰角θT≤θ≤θ_max时，四旋翼无人机采用增稳控制器。增稳控制器为四旋翼无人机在强风环境下应用的控制器，增稳控制器的系统响应速度较快。

步骤10：设计失控保护装置，将四旋翼无人机的飞行控制器输出与信号发生器连接，信号发生器输出连接降落伞弹出装置。

失控保护装置由信号发生器和降落伞弹出装置组成。失控保护装置工作时信号发生器会发出启动信号，降落伞弹出装置接受到信号后可切断电机电源并弹出降落伞，实施紧急迫降。

本发明基于混合控制的思想，根据四旋翼无人机飞行状态选取飞行高度z、滚转角φ和俯仰角θ作为状态切换参数；当四旋翼无人机在起飞或着陆时由于受到地面效应，可采用鲁棒性更好的起降控制器；在飞行过程中若遇到阵风或其他干扰因素时，即当滚转角或俯仰角的值超过设定值φ_T或θ_T时，可由平稳控制器切换至响应更为快速的增稳控制器；当飞行过程中遇到恶劣天气或飞行器失控时，即当滚转角或俯仰角的值超过一个临界值φ_max或θ_max时，四旋翼无人机可由平稳控制器或增稳控制器切换至失控保护控制器实现电机紧急制动并实施紧急迫降。因此采用本发明设计的控制器可以有效的避免失控情况的发生，并且可以改善飞机的飞行状态。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于混合控制的四旋翼无人机增稳控制方法，其特征是所示方法包括：

步骤1：设定四旋翼无人机飞行状态变量并选取状态切换参数；

所述四旋翼无人机飞行状态变量包括：四旋翼无人机的经度x、纬度y、高度z、滚转角φ、俯仰角θ和偏航角ψ；

所述四旋翼无人机状态切换参数包括：四旋翼无人机的高度z、滚转角φ和俯仰角θ；

步骤2：设定四旋翼无人机的状态切换参数值，其中包括：高度切换值z_T、滚转角切换值φ_T、俯仰角切换值θ_T、滚转角临界值φ_max和俯仰角临界值θ_max；

步骤3：设定离散状态集合包括元素：起降飞行状态、正常飞行状态、增稳飞行状态和失控保护状态；

步骤4：设定离散状态迁移过程和其对应的离散事件集合；其中，所述离散状态迁移过程包括：起降飞行状态迁移至正常飞行状态、起降飞行状态迁移至增稳飞行状态、正常飞行状态迁移至起降飞行状态、正常飞行状态迁移至增稳飞行状态、正常飞行状态迁移至失控保护状态、增稳飞行状态迁移至起降飞行状态、增稳飞行状态迁移至正常飞行状态和增稳飞行状态变迁移至失控保护状态；所述离散事件集合为离散状态迁移过程所对应的事件组成的集合；

步骤5：设定四旋翼无人机离散状态迁移条件，包括：

当四旋翼无人机的高度z≤z_T时，四旋翼无人机处于起降飞行状态；

当四旋翼无人机的高度z>z_T并且滚转角0≤φ≤φ_T或者俯仰角0≤θ≤θ_T时，四旋翼无人机迁移至平稳飞行状态；

当四旋翼无人机的高度z>z_T并且滚转角φ>φ_max或者俯仰角θ>θ_max时，四旋翼无人机迁移至失控保护状态；

当四旋翼无人机的高度z>z_T并且滚转角φ_T<φ≤φ_max或者俯仰角θ_T≤θ≤θ_max时，四旋翼无人机迁移至增稳飞行状态；

步骤6：判断四旋翼无人机的状态，当四旋翼无人机处于起降飞行状态时，执行步骤7；当四旋翼无人机迁移至平稳飞行状态时，执行步骤8；当四旋翼无人机迁移至增稳飞行状态时，执行步骤9；当四旋翼无人机迁移至失控保护状态时，执行步骤10；

步骤7：设计起降控制器，对起降控制器进行PID参数整定，使系统响应时间小于第一设定值，结束；

步骤8：设计平稳控制器，对平稳控制器进行PID参数整定，使系统超调量小于第二设定值，结束；

步骤9：设计增稳控制器，对增稳控制器进行PID参数整定，使系统响应时间小于第三设定值，结束；

步骤10：设计失控保护装置，将四旋翼无人机的飞行控制器输出与信号发生器连接，信号发生器输出连接降落伞弹出装置，结束。

2.根据权利要求1所述的增稳控制方法，其特征是所述对起降控制器进行PID参数整定具体是，设定比例系数、微分时间常数和积分时间常数。

3.根据权利要求1所述的增稳控制方法，其特征是所述对平稳控制器进行PID参数整定具体是，设定比例系数、微分时间常数和积分时间常数。

4.根据权利要求1所述的增稳控制方法，其特征是所述对增稳控制器进行PID参数整定具体是，设定比例系数、微分时间常数和积分时间常数。