CN112198797B - 一种无人机高度多级控制系统及方法 - Google Patents

一种无人机高度多级控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本公开提出了一种无人机高度多级控制系统及方法，包括：位置环控制器，被配置为接收无人机的高度数据，并作为位置环反馈量，将期望位置量与反馈的高度数据进行处理，并将处理后的数据输出至速度环控制器；速度环控制器，被配置为接收无人机的运行速度数据，并作为速度环反馈量，将位置环控制器的输出与运行速度数据进行处理，并将处理后的数据输出至加速度环控制器；状态观测器，被配置为估计出内环的全部外部扰动并将所有扰动输入作为一状态变量反馈至加速度环控制器；加速度环控制器，被配置为基于速度环控制器的输出及状态观测器估计的全部外部扰动，修正气压数据的波动所引起的高度数据的误差，具备较好的抗干扰能力。

Description

一种无人机高度多级控制系统及方法
技术领域
本公开属于无人机高度控制技术领域，尤其涉及一种无人机高度多级控制系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
当前较常见的无人机结构有固定翼、多旋翼、共轴双桨等类型。其中，固定翼无人机飞行速度快、续航时间长，常在军事领域和植保领域使用；多旋翼灵活性很好，操作简单，成本相对固定翼无人机来说也较低，在军事领域和民用领域都得到了广泛的应用。在民用方面，伴随着无人机公司大力推广与宣传无人机，其经常与云台、激光雷达、红外成像仪等装置结合应用于各个领域中。
旋翼无人机需要实现三维空间下的室内定位与导航，而UWB和惯导融合后的数据是二维位置信息，所以要保证无人机高度数据的准确性以及无人机稳定的悬停能力。旋翼无人机的高度控制是室内自主飞行控制的重要部分，因此需要选择设计合适的方法对相关传感器进行标定与补偿。此外，由于在无人机平台上搭载使用的传感器容易受机架震动、外界气流波动等环境因素影响，会悬停时发生抖动。
发明人在研究中发现，当前无人机的高度控制普遍为串级PID控制器。其内环控制速度量，外环控制位置量。对于单个PID而言是通过比例、微分以及积分这三部分使输出更接近于期望。PID的比例部分能够以设定的比例来控制误差，只要实际值与期望值存在偏差，就可以根据设定的比例产生相应的控制量去接近期望，但不合适的比例值会带来副作用。控制量会形成超调。PID的微分反应的是输出到期望变化的速率。可以通过其加快对系统的调节速度，是一种超前控制，但是不合适的微分系数会造成系统滞后。PID的积分部分表示的是在时间上误差的累加，主要用于消除静态偏差，但是不合适的积分系数会引起抖动。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种无人机高度多级控制系统，采用抗扰动能力更强的控制器实现对无人机高度精确控制性能。
为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
第一方面，公开了一种无人机高度多级控制系统，包括：
位置环控制器，被配置为接收无人机的高度数据，并作为位置环反馈量，将期望位置量与反馈的高度数据进行处理，并将处理后的数据输出至速度环控制器；
速度环控制器，被配置为接收无人机的运行速度数据，并作为速度环反馈量，将位置环控制器的输出与运行速度数据进行处理，并将处理后的数据输出至加速度环控制器；
状态观测器，被配置为估计出内环的全部外部扰动并将所有扰动输入作为一状态变量反馈至加速度环控制器；
加速度环控制器，被配置为基于速度环控制器的输出及状态观测器估计的全部外部扰动，修正气压数据的波动所引起的高度数据的误差，进行高度进行控制。
第二方面，公开了一种基于多级控制的无人机高度控制方法，包括：
当无人机解锁后，如果遥控油门在中位值附近时，记录当前高度值作为位置环控制器的期望，位置环控制器输出作为速度环控制器期望，速度环控制器输出作为加速度环控制器期望，最后生成电机控制量；
当遥控油门不在中位时，将当前油门值与中位值的差作为速度环控制器的期望，直到油门重新回到中位后再开启位置环控制器。
第三方面，公开了一种无人机，所述无人机采用上述控制系统进行高度控制。
第四方面，公开了一种无人机输电线路巡检方法，包括：所述无人机采用上述控制系统进行高度控制，无人机在运行过程中采集输电线路图片信息进行线路巡检。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
基于ESO的改进多级无人机高度控制器，通过采用多级PID，把惯导加速度数据作为内环控制量加入PID控制并引入速度值作为前馈的方式加入系统，结合ESO状态观测器对干扰无人机控制的外界环境扰动就行反馈处理。本发明解决了传统串级PID无人机高度控制器抗扰动能力较差，无法应对无人机运行时受到的机体震动、外界气流波动等环境因素的影响，精度较差，并且由于传统串级PID感度较低，响应时间慢的问题。
本公开技术方案增加了加速度内环以及速度前馈，解决了传统无人机高度控制器响应慢，PID参数调节困难，易受传感器噪音信号干扰出现超调或震荡的情况，提供了高度控制的响应速率。解决了传统高度控制器无法应对无人机高度控制时风场、震动等复杂环境扰动的情况，提高了无人机高度控制器的抗扰动能力。
基于位置环控制器输出作为速度环控制器期望，速度环控制器输出作为加速度环控制器期望，最后生成电机控制量，整体控制系统具备较好的控制性能。室内飞行实验针对悬停性能将改进多级高度控制器与传统方法相对比，改进后控制器的控制性能要优于串级PID，悬停精度达到0.1米。
本公开控制系统具备较好的抗干扰能力。通过飞机近地飞行实验验证，本发明设计的控制器可以很好的对低空扰流进行补偿。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为三级PID控制器框图；
图2为基于ESO的高度控制器框图；
图3为高度传感器硬件组成系统图；
图4为高度控制策略流程图；
图5为串级PID悬停性能示意图；
图6为改进控制器悬停性能示意图；
图7为改进控制器低空悬停性能示意图；
图8为改进控制器动态性能示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
参见附图1、2所示，本实施例公开了一种无人机高度多级控制系统，针对无人机在室内环境悬停的稳定性，将加速度计的测量数据加入原有控制器中，提出了一种基于ESO的改进多级PID高度控制器，对无人机旋翼旋转产生的机架震动以及空中气流扰动等外部扰动进行有效补偿，并加入了位置前馈，以增加飞控系统对遥控器油门通道的响应速度，可大幅提高无人机高度控制的稳定性。
包括：位置环控制器，被配置为接收无人机的高度数据，并作为位置环反馈量，将期望位置量与反馈的高度数据进行处理，并将处理后的数据输出至速度环控制器；
速度环控制器，被配置为接收无人机的运行速度数据，并作为速度环反馈量，将位置环控制器的输出与运行速度数据进行处理，并将处理后的数据输出至加速度环控制器；
状态观测器，被配置为估计出内环的全部外部扰动并将所有扰动输入作为一状态变量反馈至加速度环控制器；
加速度环控制器，被配置为基于速度环控制器的输出及状态观测器估计的全部外部扰动，修正气压数据的波动所引起的高度数据的误差，进行高度进行控制。
该控制系统能够对室内无人机的高度传感器进行有效的标定和补偿，并极大程度减小环境因素扰动造成的对高度控制的影响，可以实现对无人机高度控制性能不依赖高精度传感器及复杂环境扰动模型的大幅度提升。
该控制系统以PID控制算法为基础，结合ESO状态观测器及多级PID算法，进行无人机高度控制。
由于无人机在空中运动时风场产生的风力较大，飞控中的气压计容易受到影响，导致输出的数值波动较大。由于气压计数据转换的高度数据是位置环反馈量，会影响生成的控制数据。因此，设计采用三级PID控制器，引入加速度计测量的加速度量作内环，用以修正气压计的波动。同时为了增加飞机的响应能力，提升控制器的感度，增加了速度前馈。
其三级PID控制器中各个控制器的控制率如下式
Figure BDA0002739860770000061
Figure BDA0002739860770000062
Figure BDA0002739860770000063
Δhp＝hpexp-hbaro
Δhv＝hvexp-hvbaro&acc
Δha＝haexp-hacc+Ks·hvexp
其中，hvexp、haexp分别为方向的期望速度及加速度，Δhp、Δhv和Δha分别是位置控制环、速度控制环及加速度环三个环节的误差，kph、kpv、kpa分别为高度误差、高度速率和高度误差积分的比例控制增益参数kdh、kdv、kda分别为高度误差、高度速率和高度误差积分的微分控制增益参数kih、kiv、kia别为高度误差、高度速率和高度误差积分的积分控制增益参数。如4-9中表示，最终生成的pid.out作为各个电机的转速量来控制无人机的高度。
对于三级PID控制器来说，外环的误差最终会累积到最内环，为了有效的减少控制器噪声与误差，采用基于扩张观测器的三级PID控制器。使用ESO估计出内环的全部外部扰动。令高度上的扰动项新作为一维状态变量进行修正补偿。通过ESO状态观测器将干扰控制系统的所有扰动输入作为新的状态变量。其不需要干扰因素真实的数学模型，也无需设计系统的传递函数。只需要被控对象输入输出信息以及系统的阶次就可以对扰动进行估计。因此，对于n阶的控制对象来说，需要设计n+1阶的观测器来跟踪系统输出，并估计出系统的各阶状态变量以及扰动量，假设位置环和速度环没有环境外扰因素，只有加速度环才有外扰。仅在加速度环加入ESO。令高度系统为一阶，二阶观测器便可以进行跟踪。观测器具体构造方程如下：
e1＝v1-z1+Ks·hvexp
Z1(k+1)＝Z1(k)-hβ01ε1
Z2(k+1)＝Z1(k)-hβ02fal(ε1,α,δ)
Figure BDA0002739860770000071
Figure BDA0002739860770000072
ε1＝z1(k)-y(k)
其中，fal(ε,α,δ)的表达式如(4)所示，β的表达式如(5)所示，
Figure BDA0002739860770000073
Figure BDA0002739860770000074
其中，e1为系统扰动、v1为系统速度、Ks为比例系数、hvexp为高度方向期望速度、u0为系统控制状态输出，u系统实际控制输出，Z1、Z2二阶线性观测器，β01、β02是二阶观测器的控制参数，fal(ε,α,δ)加速度的观测函数，ε、α、δ分别为构建扰动函数的三阶未知扰动变量，k h ε1 z1 z2 y(k)b
实施例采用高度传感器为气压计，也是无人机最常用的高度传感器，气压计的精度为50cm左右，虽然精度不高，但不依赖于地面环境，且经过与加速度计融合后也可以符合飞行时高度精度的要求。该模块测量频率高，可以使用串口直接与飞控进行通信。具体硬件组成见图3。
需要进一步解释说明的是，扩张状态观测器就是通过构建连续两个状态的运动模型及观测两个状态的扰动情况来做出控制量输出，并且次模型观察的一阶加速度模型，因此构建的是二阶观测函数(矩阵)，所以下角标1、2表示的即分别为1阶及2阶段的意思，K表示状态数，即k状态、k+1状态，因为对应的是非连续函数，可以理解为连续函数对应的K时刻k+1时刻，h为高度，此高度为绝对高度不是期望高度和测量高度，ε1是一阶的未知扰动，同α及δ一样，为未知实际函数表示的函数，z1、z2为观测器函数值，区别于大写Z，大写Z为观测器的函数表示。y(k)为k状态无扰动的系统动力学函数模型，b为常数比例。
以自抗扰控制技术为基础，使用ESO估计出系统扰动并采用三级PID控制增加系统抗扰动性。采用三级PID控制器，引入了加速度计测量的加速度量作为最内环，以修正高度传感器的波动。在三级PID控制器的基础上增加速度前馈，提升控制器的感度，增大飞机的在高度控制上的响应能力。引入ESO状态观测器，使用其估计出内环的全部外部扰动，另高度上的扰动项作为一维状态变量进行修正补偿，以减少单纯的三级PID控制器外环的累计误差对内环的影响。仅在高度加速度环加入ESO扩张状态观测器。采用二阶观测器对一阶加速度环高度系统进行跟踪。
实施例子二
高度控制策略设计见图4中描述，公开了一种基于多级控制的无人机高度控制方法，包括：
其中，竖直高度的控制周期设定为10ms，当无人机解锁后，如果遥控油门在中位值附近时，记录当前高度值作为位置环控制器的期望，位置环控制器输出作为速度环控制器期望，速度环控制器输出作为加速度环控制器期望，最后生成电机控制量；
当遥控油门不在中位时，将当前油门值与中位值的差作为速度环控制器的期望，直到油门重新回到中位后再开启位置环控制器。
另一实施例子中，公开了一种无人机，所述无人机采用上述控制系统进行高度控制。
再一实施例子中，，公开了一种无人机输电线路巡检方法，包括：所述无人机采用上述控制系统进行高度控制，无人机在运行过程中采集输电线路图片信息进行线路巡检。
针对悬停性能将改进多级高度控制器与传统方法相对比。在近地面情况下对悬停性能进行测试。使用遥控油门形成阶跃信号，对动态性能进行测试。
以上实施例的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本公开中的任一方法。
对比例子分析结果：
(1)传统控制方法与改进控制器悬停性能对比
图5为使用串级PID控制器在高度2米悬停时的高度数据。PID高度悬停误差在±0.4米。图6为使用基于ESO的三级控制器在高度2米悬停时的高度数据。从图中可看出，改进控制器悬停误差为±0.1米，相较于传统PID有较好的提升。
(2)控制器近地悬停性能测试
无人机在低空飞行时会有较强的扰流干扰，因此机身震动也较大。图7为改进控制器在0.2米左右低空悬停时的高度数据。从图中可以看出，高度误差在±0.11米，ESO较好的对低空扰流进行了补偿。
(3)控制器动态性能测试
动态性能实验在定高模式下，通过遥控油门模拟阶跃信号。从图8可以看出，阶跃信号对系统影响较大。高度传感器在低空时的测量值出现了短暂的负值，但在控制器补偿下很快恢复到正常状态。
本领域技术人员应该明白，上述本公开的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本公开不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种无人机高度多级控制系统的控制方法，其特征是，基于一种无人机高度多级控制系统，所述控制系统包括：
位置环控制器，被配置为接收无人机的高度数据，并作为位置环反馈量，将期望位置量与反馈的高度数据进行处理，并将处理后的数据输出至速度环控制器；
速度环控制器，被配置为接收无人机的运行速度数据，并作为速度环反馈量，将位置环控制器的输出与运行速度数据进行处理，并将处理后的数据输出至加速度环控制器；
状态观测器，被配置为估计出内环的全部外部扰动并将所有扰动输入作为一状态变量反馈至加速度环控制器；
加速度环控制器，被配置为基于速度环控制器的输出及状态观测器估计的全部外部扰动，修正气压数据的波动所引起的高度数据的误差，进行高度控制；
所述控制方法为：当无人机解锁后，如果遥控油门在中位值附近时，记录当前高度值作为位置环控制器的期望，位置环控制器输出作为速度环控制器期望，速度环控制器输出作为加速度环控制器期望，最后生成电机控制量；
当遥控油门不在中位时，将当前油门值与中位值的差作为速度环控制器的期望，直到油门重新回到中位后再开启位置环控制器。
2.如权利要求1所述的一种无人机高度多级控制系统的控制方法，其特征是，所述加速度环控制器输出结果作为各个电机的转速量来控制无人机的高度。
3.如权利要求1所述的一种无人机高度多级控制系统的控制方法，其特征是，位置环控制器、速度环控制器及加速度环控制器均为PID控制器。
4.基于权利要求1所述的一种无人机高度多级控制系统的控制方法，其特征是，所述位置环控制器的控制率为：
Figure FDA0003925055580000021
Δhp＝hpexp-hbaro
hvexp为方向的期望速度，kph为高度误差的比例控制增益参数，Δhp为位置控制环的误差，kdh为高度误差的微分控制增益参数，kih为高度误差的积分控制增益参数，hpexp为方向的期望高度，hbaro为气压计测量高度。
5.基于权利要求1所述的一种无人机高度多级控制系统的控制方法，其特征是，所述速度环控制器的控制率为：
Figure FDA0003925055580000022
Δhv＝hvexp-hvbaro&acc
haexp为方向的期望加速度，kpv为高度速率的比例控制增益参数，Δhv为速度控制环的误差，kdv为高度速率的微分控制增益参数，kiv为高度速率的积分控制增益参数，hvexp为方向的期望速度，hvbaro&acc为气压计或加速度测量速度。
6.基于权利要求1所述的一种无人机高度多级控制系统的控制方法，其特征是，所述加速度环控制器的控制率为：
Figure FDA0003925055580000031
Δha＝haexp-hacc+Ks·hvexp
其中，pid.out作为各个电机的转速量来控制无人机的高度，kpa为高度误差积分的比例控制增益参数，Δha为加速度环的误差，kda为高度误差积分的微分控制增益参数，kia为高度误差积分的积分控制增益参数，haexp为方向的期望加速度，hacc为加速度计即惯性传感器测量计算高度，hvexp为方向的期望速度，Ks为比例系数。
7.基于权利要求1所述的一种无人机高度多级控制系统的控制方法，其特征是，采用二阶观测器对一阶加速度环控制器进行跟踪。
8.一种无人机，其特征是，所述无人机采用上述权利要求1-7任一所述的控制方法进行高度控制。
9.一种无人机输电线路巡检方法，其特征是，包括：所述无人机采用上述权利要求1-7项任一所述的控制方法进行高度控制，无人机在运行过程中采集输电线路图片信息进行线路巡检。
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