浅谈无人机的控制的方法及应用

摘要：这些年来，无人机的研制取得了突飞猛进的发展，它优异的功能和性能被应用于各个行业和领域。无人机有着广阔的发展前景，其控制方法的研究和探讨也很重要，本文就此展开论述，进行分析。

关键词：无人机;应用现状;控制

一、特征

（一）优点

与有人飞机相比，无人机有着很多突出优点。由于无人机上不直接搭载飞行员，避免了人员的牺牲。无人机不需要考虑人的生理条件、承受能力、工作时间等因素，不需要安装生命保障系统，这就大大减少了无人机的制造成本，减轻了无人机的整体质量，减小了无人机的整体尺寸。同时，在各种浓烟、浓雾﹑高寒等复杂环境中，无人机依然可以执行任务，这就使无人机应用领域得到进一步拓展。此外，无人机还具有易于起降、操作简单、机动灵活等优点。

（二）缺点

无人机也有其缺点所在，因无人机质量相对较轻，所以其承载能力有限，且抗风能力也相对较差，如遇特殊天气，无人机容易偏离航线，而靠预装程序控制的无人机，其智能性、灵活性差，无人机难以应对这些意外情况。同时，受无线电遥控的无人机，一旦受到对方无线电的干扰，容易出现敌我不识，这对于军用无人机来说无疑是一个致命缺点。此外，目前无人机还具有可靠性不高、飞行速度较慢等缺点。

二、控制方法及应用

无人机的飞行控制是无人机研究领域主要问题之一。传统的控制方法主要集中于姿态和高度的控制，除此之外还有一些用来控制速度、位置、航向、3D轨迹跟踪控制。

（一）线性飞行控制方法

1、PID控制属于传统控制方法，是目前最成功、用的最广泛的控制方法之一。其控制方法简单，无需前期建模工作，参数物理意义明确，适用于飞行精度要求不高的控制。

2、H∞属于鲁棒控制的方法。经典的控制理论并不要求被控对象的精确数学模型来解决多输入多输出非线性系统问题。鲁棒控制可以很好解决因干扰等因素引起的建模误差问题，但它依赖于高性能的处理器，同时，由于是频域设计方法，调参也相对困难。

3、LQR是被运用来控制无人机的比较成功的方法之一，其对象是能用状态空间表达式表示的线性系统，目标函数为是状态变量或控制变量的二次函数的积分。而且Matlab软件的使用为LQR的控制方法提供了良好的仿真条件，更为工程实现提供了便利。

4、增益调度法解决系统非线性的问题。该算法由两大部分组成，第一部分主要完成事件驅动，第二部分为误差驱动。该控制方法在旋翼无人机的垂直起降、定点悬停及路径跟踪等控制上有着优异的性能。

（二）基于学习的飞行控制方法

基于学习的飞行控制方法的特点就是无需了解飞行器的动力学模型，只要一些飞行试验和飞行数据。

1、模糊控制方法是解决模型不确定性的方法之一，在模型未知的情况下来实现对无人机的控制。

2、基于人体学习的方法是美国MIT的科研人员为了寻找能更好地控制小型无人飞行器的控制方法，从参加军事演习进行特技飞行的飞机中采集数据，更好地理解无人机的输入序列和反馈机制。这种方法已经被运用到小型无人机的自主飞行中。

3、神经网络法经典PID控制结构简单、使用方便、易于实现，但当被控对象具有复杂的数学模型时，难以达到满意的控制效果。神经网络自适应控制技术能有效地实现多种非线性复杂过程的控制，提高控制系统的鲁棒性、容错性，且控制参数具有自适应和自学习能力。

（三）基于模型的非线性控制方法

为了克服某些线性控制方法的限制，一些非线性的控制方法被提出并且被运用到飞行器的控制中。这些非线性的控制方法通常可以归类为基于模型的非线性控制方法。

1、反馈线性化是非线性系统常用的一种方法。反馈线性化理论有两个重要分支：微分几何法和动态逆法。但动态逆方法需要相当精确的飞行器的模型，且由于系统建模误差，加上外界的各种干扰，因此，设计时要重点考虑鲁棒性的因素。动态逆的方法有一定的工程应用前景，现已成为飞控研究领域的一个热点话题。

2、模型预测控制是一类特殊的控制方法。最优控制问题的初始状态为过程的当前状态，解得的最优控制序列只施加在第一个控制作用上，这是它和那些预先计算控制律的算法的最大区别。本质上看模型预测控制是求解一个开环最优控制的问题，它与具体的模型无关，但是实现则与模型相关。

3、多饱和控制饱和现象是一种非常普遍的物理现象，存在于大量的工程问题中。运用多饱和控制的方法设计多旋翼无人机，可以解决其它控制方法所不能解决的很多实际的问题。尤其是对于微小型无人机而言，由于大倾角的动作以及外部干扰，致动器会频繁出现饱和。致动器饱和会限制操作的范围并削弱控制系统的稳定性。多饱和控制在控制饱和输入方面有着很好的全局稳定性，因此这种方法常用来控制微型无人机的稳定性。

4、反步控制是非线性系统控制器设计最常用的方法之一，比较适合用来进行在线控制，能够减少在线计算的时间。反步方法运用于飞控系统控制器的设计可以处理一类非线性、不确定性因素的影响，而且已经被证明具有比较好稳定性及误差的收敛性。

5、自适应控制是一种基于数学模型的控制方法，它最大的特点就是对于系统内部模型和外部扰动的信息依赖比较少，与模型相关的信息是在运行系统的过程中不断获取的，逐步地使模型趋于完善。但自适应控制比常规反馈控制要复杂，成本也很高，因此只是在用常规反馈达不到所期望的性能时，才会考虑采用自适应的方法。

三、总结

随着科技进步，无人机性能不断得到提升，在军事和民事领域得到了广泛应用。本文对无人机的控制方法及应用进行系统详细介绍，以期为未来无人机的研究提供有用参考。

参考文献：

[1]Kenzo NONAMI，Wei WANG，et al.Autonomous Flying Robots：Unmanned Aerial Vehicles and Micro Aerial Vehicles[M].Berlin：Springer，2010.

[2]张云秀，曾庆达，张炜.无人机发展综述[J].河南科技，2017

作者简介：刁可，1990.04，男，江苏扬州，本科，机械，210033，南京技师学院，南京市栖霞区学海路29号。