無人旋翼飛行器自適應飛行控制系統設計

【摘 要】無人旋翼飛行器是目前國際上應用比較廣泛的偵查設備，其主要特點就是可以實現人員的遠程操控，保證了人員的安全，而且無人旋翼飛行器一般體積較小，重量偏輕，具有較好的機動性。想要保證飛行器在不同氣候、地形等條件下完成既定任務，就必須對飛行器的飛行控制系統做出調整。本文即是對無人旋翼飛行器自適應飛行控制系統的相關設計方案進行的分析，最后通過實驗對分析進行實際研究，證明了本次分析設計的飛行控制系統具有較好的自適應性和魯棒性，能夠充分實現飛行器在空中的各類動作，并且可以有效穩定飛行器空中姿態，提高了控制人員的可操作性。

【關鍵詞】無人飛行器 自適應控制 設計 實驗

無人飛行器是目前較為先進的無人偵查設備之一，具有較好的機動性，體重較輕，能夠高速飛行，適合未來戰場上的偵查工作。目前世界上的飛行器主要以無人旋翼飛行器為主，其根據螺旋槳的個數或螺旋槳軸的個數進行分類，可以實現高難度的空中動作，如翻滾、直停、側飛、垂直升降等，在繼承直升機等機型優點的基礎上，加入了一些更加先進的技術。

一、自適應飛行控制律的設計

（一）模型逆

自適應控制系統最早是被應用在航天航空領域，提出這一理念是因為當飛行設備在外部環境下進行飛行的過程中會遇到各類外界因素的影響。這些因素都會影響飛行裝置的穩定性，對飛行器的飛行高度和速度造成一定的影響。目前想要獲得無人旋翼飛行器的精確公式還有一定困難，通常情況下均是采用經驗對相關數據進行估計，或實驗中所得出的平均參數，因此這類計算方法存在一定的誤差性。其誤差可以用：來進行表示。其代表飛行器系統的實際動態情況和預估動態情況之間的差異，這種誤差可以通過控制器逆誤差來進行補償。

（二）模型逆誤差動態特性

以三軸無人飛行器為例，其控制回路的設計模型一般上是用二階穩定模型來進行表示，其指令向量的公式為：。而飛行器在飛行過程中所收到的角加速度影響向量的公式則為：，用來表示神經網絡中計算數據所需要的輸出量，以此來對模型的逆差進行補償。

由上圖中可以看出，在對控制無人飛行器姿態的系統進行設計時，其模型逆控制器輸出值的偽控制量一般利用：來表示，其中來表示，是模型的跟蹤誤差。代表無人飛行器控制器的輸出，可以用來抵消模型所產生的誤差。當無人飛行器控制器的輸出量能夠完全抵消掉誤差，則上述公式即轉化為無固定控制量的方程，其動態誤差呈現收斂性，并且矩陣A對其起到了決定性的影響作用。如果可以有效保證、的正確性，則就會使無人飛行器整體系統趨于穩定，其所產生的誤差就會縮小，并且誤差趨勢也會有所收斂。

（三）模型逆誤差神經網絡補償

神經網絡是自適應系統中比較重要的組成部分，其使得自適應系統具備了自學習和自適應屬性，因此，這一組成部分可以有效幫助整個系統對模型帶來的誤差進行補償。以但隱層神經網絡為例，以具體構成圖如下：

在這一系統中，其隱含的層節點激活函數一般是以S型函數進行表達的，其具體可列為：。而輸出層節點則與隱含層節點存在不同的表達方式，其主要是以線性函數進行表單，具體可以列為：

。其中代表輸入層的節點數，代表隱含層的節點數，而則代表輸出層的節點數，代表輸入層的偏置量，而則表示隱含層的偏置量，表示隱含層的閾值，而則表示輸出層的閾值。其中和均不能是負數。

為了保證系統在實際操作階段不出現較大波動的變化，穩定操作量的輸出，可以對神經網絡輸出值進行有效地計算，其是以增加高增益魯棒項為標準的，具體為：，其中，。

（四）神經網絡權系數自主學習的算法

神經網絡的在線學習能力也是整個系統自適應的一種表現，其主要是由于非線性函數使得該系統能夠無限接近自主學習特性。所有的參考模型信號有界，而神經網絡的權系數計算公式則可以表示為：

二、無人旋翼飛行器控制系統實驗

在控制系統設計并安裝完畢后，需要對整個系統進行實際操作測試，如果條件允許的情況下可以先制作出樣機進行測試；而如果條件不允許的情況下則可以利用Simulink工具對其進行仿真模擬測試。主要測試的項目包括無人旋翼飛行器的水平垂直升降的穩定性和控制器對其的操作性能，還要驗證飛行器在飛行過程中懸停、側飛、翻滾、復位等動作的穩定性和控制性的可操作性。利用計算機程序對飛行器飛行軌跡進行計算，分析其飛行姿態和動作軌跡是否能夠與控制器保持一致。

無人旋翼飛行器是目前較為先進的飛行技術，其打破了傳統飛行器設計理念，結合目前最為先進的科學技術，對未來飛行設備的發展有著巨大的影響。

參考文獻：

【1】夏青元，徐錦法.變轉速共軸旋翼載荷建模及實驗驗證[J].實驗力學，2012.

作者簡介：周如磊（1983·8）男；民族：漢族；籍貫：安徽省霍邱縣人；2008年畢業于中國民航大學，飛行器動力工程系；現供職中國東方航空股份有限公司；職稱：助理工程師；學位：學士；研究方向：飛行器動力工程。