系留式多旋翼无人机飞行控制系统研究

对系留式多旋翼无人机的飞行控制系统组成原理、飞行特性、飞控算法三个方面进行了阐释和研究，考虑了系留缆作为不确定因素对于飞行控制的干扰，通过非线性鲁棒控制器引入扩张状态观测器进行抑制，从理论上进行了推导论证。

系留式多旋翼无人机凭借续航时间长、信息传输容量大、使用灵活等特点，正逐渐成为多旋翼无人机的研究使用热点，从民用到军用都得到了大力发展。其飞行控制系统是整个无人机的控制、管理和计算中心。由于使用场景不同及定点悬停、系留供电等特点，其控制技术与自由飞式多旋翼无人机既有相同点，也有不同点。

多旋翼无人机飞行控制系统组成及原理

1.系统组成

多旋翼无人机飞行控制系统主要由飞行控制计算机、导航计算机、传感器等组成。飞行控制计算机主要完成飞行控制率解算、飞行任务管理、飞行状态监视、机载任务设备管理、机载测控单元通信等功能。导航计算机主要用于计算飞行姿态信息、传感器信息融合、导航信息计算、航路规划和优化等任务。传感器主要包括陀螺、加速度计、三轴磁力计、压力传感器、温度传感器、DGPS/BD接收机等，系统组成如图1所示：

2.工作原理

系统操作人员通过操作地面控制站软件，生成控制指令，传送给地面数传电台，经由链路传输到机载双路电台，进而送入飞行控制器当中;同时，安装在无人机特定位置的传感器组将信息分别送入飞行控制器。飞行控制器根据这些信息进行计算，并将生成的控制信号送给无人机，从而改变无人机的姿态、速度和位置，达到控制无人机的目的。飞行控制器将采集到的侦察图像和机体姿态、位置等传感器信息进行整理并按照系统的通信约定送给机载双路电台，经过链路送达地面控制站进行解析并实时显示。

飞行控制系统完成的主要功能是与无人机系统和测量设备一起构成姿态角和飞行高度的稳定回路。可以按飞行控制与导航计算机给定的俯仰角和偏航角飞行，随着飞行高度和伴随飞行速度的变化自动改变飞行控制参数。接收并执行遥控指令，改变飞行状态，执行不同的飞行任务，采集飞行状态参数及任务设备参数，并将各种参数编码后发送至机载测控单元。与机载任务设备通信，控制和管理任务设备，完成无人机的应急保护功能，包括应急归航等功能，控制机载电子系统的检测。

多旋翼无人机飞行特性

多旋翼无人机是一种欠驱动、强耦合、非线性系统，以经典的四旋翼无人机为例，其飞行时受力分析如图2所示。

采用欧拉角法建立机体坐标系与地理坐标系，机体坐标系ox轴在地理坐标系OXZ平面的投影与OX轴的夹角为俯仰角θ，设Fdrag为阻力，T为前飞拉力，V为最大前飞速度。稳定悬停时，各电机转速相同，临近电机旋转方向相反。为了实现水平方向上的前后、左右运动，需要改变各电机的升力配比。例如增加电机1转速，降低电机3转速，其它两个电机转速不变。则按俯仰运动原理，由于电机升力变化，飞行器要绕Y轴产生一定角度的变化，使得升力在水平方向上产生分力，实现飞行器在水平方向向前运动，反之向后运动。

飞行控制算法设计

系留式多旋翼无人机与自由飞式多旋翼无人机最大的区别在于线缆对于无人机系統的限制。在飞行状态下线缆的不确定因素导致难以对其进行建模分析与仿真计算，同时线缆的非定常因素也会造成控制系统难以较好地抵抗其带来的干扰。若无法精确模拟线缆产生的影响，则H∞回路成形鲁棒控制算法没有一个较好的数学模型作为设计基础，使得控制系统对其非定常干扰仅能依靠算法本身的鲁棒特性来抑制，一旦扰动超出其可以承受的范围，系统便会出现不稳定、甚至不可控的状况。若采用不依赖精确数学模型的自抗扰控制或是非线性鲁棒控制，虽然控制算法对被控对象的动力学及运动学行为不要求较为精确的理解，但依然存在扰动超出控制系统可以承受范围的可能性，这对控制算法调参提出了较高要求。

为此，在控制算法设计上引入基于积分环节的扩张状态观测器，用于观测因电缆导致的系统不确定性，同时通过积分的办法进行不确定性补偿，以此抑制因电缆的存在而产生的不确定性干扰。

非线性鲁棒控制器通过引入扩张状态观测器的办法，极大的提高了控制系统对自身不确定性以及外部干扰的抑制能力，在系留线缆对飞行器造成干扰，以及因输能电缆的存在导致整个系统存在非定常不确定性时，非线性鲁棒控制器可以依靠自身较强的抗干扰能力抑制住控制系统的不确定扰动。

结束语

本文通过从硬件组成到算法分析，对系留式多旋翼无人机飞行控制技术进行了概要分析，在理论上给出了一种克服系留缆对无人机飞行干扰的抑制办法。

（参考文献：略。如有需要，请联系编辑部。）