四旋翼无人直升机飞行控制技术综述

甄红涛，齐晓慧，夏明旗，赵红瑞

(1.军械工程学院光学与电子工程系，河北石家庄 050003;2.总装备部驻447厂军事代表室，内蒙古包头 014033;3.内蒙古北方重工业集团有限公司办公室，内蒙古包头 014033)

引言

四旋翼飞行器是一种能够垂直起降(VTOL)、自主悬停、非共轴式多旋翼碟形飞行器，目前世界上存在的四旋翼飞行器基本上都属于微小型无人飞行器，又称为四旋翼无人直升机。

虽然早在1907年，Breguet兄弟就第一次实现了四旋翼直升机的升空［1］，但此后很长一段时间四旋翼无人机并没有取得很大的进展。近十几年来，随着新型材料、微机电、微惯导及控制技术的发展，四旋翼无人机又引起了人们极大的兴趣。目前，自主飞行控制技术是四旋翼无人直升机的研究热点，但大多处于实验阶段，未见有实际应用的自主飞行四旋翼的报道。应用比较成熟的大多是遥控航模四旋翼飞行器，如Draganflyer系列、Xaircraft系列等。

本文在分析四旋翼直升机飞行控制系统的特点和要求的基础上，综述了国内外现有飞行控制方法的应用现状，最后指出了四旋翼飞行控制技术发展急需解决的若干问题，并对四旋翼无人直升机的发展趋势做了展望。

1 四旋翼直升机的结构

四旋翼直升机的四个旋翼呈十字交叉结构，四个旋翼由四个电机控制，分别位于十字支架的四个顶端，如图1(a)所示为Xaircraft 650飞机实物图。四旋翼直升机的前端旋翼1和后端旋翼3沿逆时针方向旋转，左端旋翼2和右端旋翼4沿顺时针方向旋转，以平衡旋翼旋转时产生的反扭力矩，如图1(b)所示。通过改变每个电机的转速可以实现对飞行器垂直起降、悬停、俯仰(前后)、滚转(左右)、偏航(旋转)等姿态和运动状态的控制。

与常规的旋翼式飞行器相比，四旋翼无人直升机结构简单、成本低廉、性能卓越，可应用领域广泛，主要体现在以下几个方面:(1)旋翼尺寸小，且不需要专门的反扭矩桨，飞行安全性高，特别适合在近地面环境(如室内、隧道等)中执行监视任务，可以对细小环节进行侦察;(2)结构紧凑，动力装置效率高，有效载荷大，可作为高清摄像机等设备的搭载平台;(3)结构对称，制造和控制简单，拆卸方便，易于维护，成本低，安全性好;(4)四旋翼直升机的设计和研制是集诸多技术成果于一体的综合科学技术问题，涵盖了结构设计、动力与能源、控制与导航、通信技术、微机电技术和传感器技术等专业技术领域，因此可以作为一个优秀的交叉学科科研实验平台。

2 四旋翼直升机飞行控制特性

四旋翼直升机是一个非线性、强耦合、欠驱动、时变的被控对象，其独特的结构布局和飞行控制特性使其控制系统的设计变得较为复杂，主要体现在以下几个方面。

(1)建模困难

四旋翼直升机在飞行过程中，容易受到外部气流的干扰。另外，由于微小型四旋翼直升机选用的旋翼尺寸小、质量轻、易变形，难以建立其精确的动力学模型。此外，雷诺数对微型旋翼的升力特性影响很大，在建立四旋翼数学模型时还要解决低雷诺数下微型旋翼的空气动力学问题。建立四旋翼数学模型的种种复杂性，要求所设计的四旋翼控制系统必须具有较强的鲁棒性和模型弱相关性。

(2)欠驱动特性

四旋翼直升机在空间的运动具有六个自由度，包括飞行器质心平移时的三个线自由度和飞行器绕其质心旋转时的三个角自由度，而其控制输入量只有四个旋翼的转速，因此，四旋翼直升机是一个典型的欠驱动系统(Under-actuated System)。由于欠驱动系统是具有非完整约束的本质非线性系统，且不能完全反馈线性化，这就使得欠驱动系统的控制设计变得比较复杂［2］。目前欠驱动系统的研究主要集中在结构较为简单的机械系统及移动机器人上，适用于欠驱动四旋翼系统的普遍性成果较少。

(3)强耦合特性

四旋翼直升机需要用四个输入量控制六个自由度的输出，因此它的输出量之间具有高度耦合的特性，任意一个旋翼转速的改变将至少影响三个自由度的改变。例如，增加左旋翼的转速，其他三个旋翼的转速不变，将使飞行器由于左右旋翼的拉力差向右滚转;同时该拉力差还会导致飞行器向右平移;此外，由于正转旋翼和反转旋翼所产生的反转力矩不平衡，还会导致飞行器向左偏航。另外，四旋翼直升机的姿态与位置存在直接耦合关系，飞行器的滚转和俯仰会直接引起飞行器的左右和前后平移。由于四旋翼直升机这种显著的耦合特性，在进行四旋翼全飞行包线的控制系统设计时，必须充分考虑各种可能出现的飞行状态，保证控制系统具有良好的解耦性和鲁棒性。

(4)易受外界干扰

四旋翼无人直升机在空中飞行时，会受到气流、阵风等外界环境的影响。尤其是微小型四旋翼直升机尺寸小、重量轻、飞行速度低，更易受外界扰动影响。仅仅靠设计具有强鲁棒性或自适应能力的控制系统很难抑制这些扰动，需要对四旋翼的时变空气动力学特性和非线性的飞行力学特性进行深入的分析，然后针对扰动设计专门的控制方法。另外，由于大多数四旋翼无人直升机旋翼都采用柔性材料，质量轻，受到阵风干扰后的变形对其升力特性和阻力特性的影响，也是设计控制器时不得不考虑的一个现实问题。

3 四旋翼直升机控制技术研究现状

3.1 数学建模

为实现对微小型四旋翼飞行器的有效控制，必须充分了解飞行器在各种飞行状态下的动力学特性，建立精确数学模型。然而四旋翼飞行器多变量、强耦合、非线性的动力学特性，使得通过理论分析精确建立四旋翼飞行动力学数学模型的问题尚未解决。

关于四旋翼无人直升机的数学建模主要有两种方法:理论推导法和试验辨识法。理论推导法是通过对飞行器各部分的物理结构和受力分析，经过严格的理论计算得到线性或非线性数学模型;试验辨识法则是基于试验数据，利用系统辨识理论获得系统参数模型。目前主要是通过理论分析四旋翼无人机动力学特性，简化或增加四旋翼的约束条件，建立线性或非线性数学模型［3］。

3.2 飞行控制方法

四旋翼直升机强耦合、非线性、欠驱动、干扰敏感的特性，使得飞行控制系统的设计变得非常困难。此外，控制系统的性能还受到模型准确性和传感器精度的影响。纵然四旋翼直升机控制系统的设计面临着种种困难，其独特的性能优势和广泛的应用领域吸引着越来越多的学者对其进行研究。近年来，国内外学者对四旋翼直升机的控制策略进行了大量的研究，表1中列出了四旋翼直升机几种典型的控制方法及其特点。

经典PID控制在单一通道的控制设计方面技术比较成熟，且易于实现，因此，在四旋翼直升机的工程实践中得到了大量的应用。然而，经典PID控制参数整定过程繁琐、可移植性差、解耦性能和鲁棒性差等固有的缺点限制了四旋翼控制性能的提高。随着现代控制理论和智能控制理论的发展，一些新技术与PID控制技术相结合的先进PID控制也在四旋翼控制中得到了大量的应用，如模糊PID控制、神经网络PID控制、自适应PID控制等。

反步法(Backstepping)又称为反演法或回退法，被广泛应用于非线性系统和欠驱动系统的控制。该方法基于Lyapunov稳定性理论，通过反向递推构造Lyapunov函数，设计控制器，使系统实现全局渐近稳定。该方法主要针对满足严格反馈控制结构的系统，在四旋翼的跟踪控制中应用较多。

嵌套饱和(Nested Saturation)控制方法是一种应用于严格前馈级联系统中的成熟控制策略，具有计算量小、鲁棒性强和全局渐进稳定的优点。但应用该方法之前需将四旋翼动力学模型转换为严格的前馈级联规范型，针对四旋翼这种欠驱动系统不能完全反馈线性化的特点，文献［11］将动力学模型部分反馈线性化，然后经过进一步的坐标变换，转换为规范型，设计了饱和嵌套控制器。

滑模(Sliding Mode)控制是一种变结构控制，按照一定的逻辑通过改变系统内部反馈控制结构，使系统的状态在滑模面上滑动，并最终达到平衡点。滑模控制器对模型误差、参数不确定性和外部干扰具有不敏感性，鲁棒性较强。文献［16］中将四旋翼系统分为全驱动子系统和欠驱动子系统，分别设计了滑模控制器。文献［17］中设计了滑模观测器来估计由风或模型参数不确定性引起的外部干扰，提高了控制的鲁棒性。这些先进控制理论的控制性能是无可置疑的，但是目前大多数先进控制理论仍处于实验室仿真阶段，离具体工程实现还存在较大的距离。另外，经典控制和单一的现代控制方法都只是侧重于被控系统的某一特性，针对四旋翼这种非线性、强耦合、欠驱动的复杂系统，单一的控制方法会限制系统整体性能的提高。因此，多种控制算法相结合的复合控制方法近年来得到了广泛关注，如南京理工大学黄溪流设计的基于反步法的滑模控制器;国防科学技术大学王俊生设计的加入跟踪微分器的自适应模糊PI滑模控制器［17］;加拿大湖首大学A Tayebi设计的基于四元数的PD2反馈控制［14］。

目前对于四旋翼无人直升机飞行控制的研究，大部分是针对姿态稳定控制。因为四旋翼飞行器的姿态与位置存在直接耦合关系，如果能精确控制飞行器姿态，则其位置与速度控制就会变得轻而易举。因此，国内外相关人员都着重进行了姿态控制器的设计，但大都加入了许多约束条件，且大部分处于实验室仿真阶段，实际工程实现的控制效果较好的四旋翼不多。研制既能精确控制飞行器姿态，又具有较强抗干扰能力的姿态控制器是四旋翼直升机飞行控制系统研究的当务之急。

4 四旋翼飞行控制技术发展趋势

随着控制理论和计算机技术的发展，四旋翼无人直升机飞行控制技术也朝着智能化和数字化的方向发展，一些新的控制理论在四旋翼控制中得到了应用，如容错控制［18］、自抗扰控制(ADRC)［19］等，一些试验系统也完成了实验室环境下的试飞，如瑞士洛桑联邦科技学院(EPFL)的OS4项目［20］，美国斯坦福大学(Stanford)的 STARMAC 工程［21］，国防科学技术大学的Quad-Rotor实验平台［22］等。但从目前的研究现状来看，四旋翼无人直升机的飞行控制技术还远未成熟，大多数的研究往往只考虑特定环境下特定飞行模式的控制技术，离实现真正的四旋翼无人自主飞行还有一定的差距，还有许多关键技术亟待解决，主要表现在以下几个方面。

(1)一体化建模技术

四旋翼无人直升机精确数学模型的建立是设计高性能控制器的基本前提，但由于四旋翼本身复杂的结构特性和飞行过程中的多种物理效应的影响，目前的研究大都建立了相对简化的模型。欲建立四旋翼精确的数学模型，低雷诺数条件下的空气动力学问题、柔性旋翼气动性能参数的测量技术和模型的测量和验证方法等问题还需进一步解决。

另外，在飞行器控制系统设计中，大多数都不考虑发动机的模型，但对于四旋翼直升机来说，其发动机的工作状态与旋翼的动态性能紧密相关，而旋翼的动态性能又与机体的受力情况及机体姿态紧密相关，因此，如何进一步发展新的试验方法获得四旋翼机体与发动机的一体化模型是四旋翼建模技术需解决的关键问题［23］。

(2)自主控制技术

高度自主控制和高度智能化是四旋翼发展的主要方向。要使四旋翼直升机在各种环境中都能充分发挥优良性能，就要实现自主飞行。先进的控制方法是实现四旋翼自主飞行的重要前提，在控制理论的基础研究和工程应用方面，如何将传统控制设计方法积累的经验应用于先进控制方法的设计中，如何将实际物理意义与理论指标建立联系，如何有效验证控制器性能的好坏和工程实现，已成为四旋翼自主控制技术发展中最现实的问题。

未来高度智能化的四旋翼无人机，除了实现自主飞行，还需具有自主决策能力。要能够自主完成航迹的规划，通过在线感知实现自主导航，并能够按一定原则在飞行中自主完成预定任务，还需要一定的在不确定性前提下处理复杂问题的自主决策能力。人工智能是提高四旋翼智能化水平的重要手段，仿生感知及其控制研究也为飞行器的智能化提供了一个新的途径，如多旋翼编队飞行控制技术［24］。

(3)整体设计技术

为了充分发挥四旋翼直升机机动灵活的特点，微小型化将是四旋翼无人机的一个主要发展方向。进行微小型四旋翼飞行器总体设计时，需要遵循以下原则:重量轻、尺寸小、速度快、能耗低。要综合考虑这些因素，确保实现整体设计的最优化。

5 结束语

本文讨论的微小型四旋翼无人直升机作为一个高性能、低成本的作战平台，必将在未来的军事和民用领域中发挥重要作用。经过近十几年的快速发展，四旋翼遥控航模飞行器的商业化应用和四旋翼无人直升机的自主飞行控制研究取得了一些成果，但目前还处于发展阶段，尤其是要实现四旋翼的自主飞行还有很长一段路要走。有理由相信，通过研究人员坚持不懈的努力，不仅能解决四旋翼自身的问题，必将还会推动所涉及领域关键技术的发展。

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