应用串级PID控制的自主搜救无人机

鄢国家自然科学基金渊远员远园员猿愿圆冤曰四川省教育厅项目渊员苑在月园源缘源冤曰西南科技大学博士研究基金项目渊员远扎曾苑员源愿冤当系统中的自由度比其输入的控制量的维数多时袁便称该系统为欠驱系统遥无人机便是一种典型的欠驱系统袁在控制上较为复杂遥目前袁在对无人机的姿态控制方面袁所采用的控制方法主要分为非线性和线性两类咱员暂遥在非线性控制算法方面袁反步法和滑膜控制法等为主流方法袁虽然这两种方法在无人机的非线性控制上研究成果较多袁但是上述方法多局限于理论层面的仿真结果遥在实际工程应用中模型的不确定性因素较多袁很难建立精确模型袁因此非线性控制推广应用起来比较困难遥线性模型中常使用的方法主要有线性二次型最优控制法渊蕴匝砸袁蕴蚤灶藻葬则择怎葬凿则葬贼蚤糟则藻早怎造葬贼燥则冤和孕陨阅控制方法遥其中袁蕴匝砸的优点在于具有超调量小和响应速度快袁但是需要建立较高精度的模型和与模型相匹配的惩罚矩阵袁此外袁不精确的非线性模型对其控制效果影响较大遥对于孕陨阅控制算法来说袁其具有结构简单尧对模型精度要求不高和简单的参数整定可完成控制要求等优点袁但不适用于在控制中要求建立模型精确度的控制遥本文为提高搜救无人机搜救作业能力袁对串级孕陨阅控制算法进行了研究袁构建了相应的控制器遥员无人机的飞行原理常见的无人机系统主要由机身尧电源尧无刷电机尧飞控系统和导航系统构成遥无刷电机用于驱动机桨旋转袁机桨转动使空气向下运动进而产生向上的升力袁因此四旋翼飞行器的姿态和位置控制是通过调节四个无刷电机的转动速度完成的袁如图员所示遥横滚渊则燥造造冤尧俯仰渊责蚤贼糟澡冤和偏航渊赠葬憎冤为飞行器的三个重要飞行姿态袁通过对这三个姿态角和油门的控制即可实现图员所示的四种飞行状态遥圆无人机的姿态解算及串级孕陨阅控制圆援员无人机的姿态解算为便于描述飞行器的姿态解算数学方程袁引入了三维空间坐标袁通过空间矢量变换的方法来描述飞行器的俯仰尧偏航尧横滚等姿态信息遥在空间内定义两个三维坐标系袁分别是参考坐标系韵灶和固定在无人机上的机体坐标系韵遭遥在飞行过程中袁参考坐标系保持不变袁机体坐标系相对参考坐标系经过一次或者多次旋转之后新旧机体坐标系之间可以用旋转矩阵表示院砸灶遭越糟燥泽鬃原泽蚤灶鬃园泽蚤灶鬃糟燥泽鬃园园园员蓘蓡糟燥泽兹园泽蚤灶兹园员园原泽蚤灶兹园糟燥泽兹蓘蓡员园园园糟燥泽准原泽蚤灶准园泽蚤灶准糟燥泽准蓘蓡越糟燥泽鬃糟燥泽兹原泽蚤灶鬃糟燥泽准垣糟燥泽鬃泽蚤灶兹泽蚤灶准泽蚤灶鬃泽蚤灶准垣糟燥泽鬃泽蚤灶兹糟燥泽准泽蚤灶鬃糟燥泽兹糟燥泽鬃糟燥泽准垣泽蚤灶鬃泽蚤灶兹泽蚤灶准原糟燥泽鬃泽蚤灶准垣泽蚤灶鬃泽蚤灶兹糟燥泽准原泽蚤灶兹糟燥泽兹泽蚤灶准糟燥泽兹糟燥泽准蓘蓡渊员冤其中袁鬃为航向角曰兹为俯仰角曰准为横滚角遥目前对飞行器的姿态描述主要有欧拉角法和四元数法咱圆暂两种方法袁但是欧拉角法在表示坐标关系时有一个重大的缺点是出现万向锁问题遥理论可以证明袁三个实数来表达三维旋转时袁都会不可避免地碰到奇异性问题咱猿暂袁除非用源个量来表示袁如四元数遥四元数的表示方法为一个实数和三个虚数袁可以表示为院匝越渊择园袁择员袁择圆袁择猿冤越择园垣择员蚤垣择圆躁垣择猿噪越咱择园择员择圆择猿暂栽渊圆冤规范化的四元数袁有择圆园垣择圆员垣择圆圆垣择圆猿越员成立遥应用串级孕陨阅控制的自主搜救无人机鄢哉泽蚤灶早悦葬泽糟葬凿藻孕陨阅枣燥则粤怎贼燥灶燥皂燥怎泽杂藻葬则糟澡蚤灶早粤蚤则糟则葬枣贼张宁宁楚红雨常志远李爽邵延华渊西南科技大学信息工程学院袁四川绵阳远圆员园园园冤摘要院近年来袁无人机是国内外的研究热点袁将无人机作为搜救工具应用于应对灾害事故可极大地提高搜救效率袁具有十分重要的社会意义遥其中袁飞行控制系统是无人机完成自主搜救任务的重要基础和关键一环遥以控制方法为重点袁为提高搜救无人机搜救作业能力袁研究了一种应用串级孕陨阅控制的自主搜救无人机遥试验结果验证了该控制方法鲁棒性较好袁工程价值和科学意义较高遥关键词院串级孕陨阅袁自主搜救袁无人机袁鲁棒性粤遭泽贼则葬糟贼押陨灶则藻糟藻灶贼赠藻葬则泽熏贼澡藻则藻泽藻葬则糟澡燥枣哉粤灾蚤泽葬澡燥贼泽责燥贼葬贼澡燥皂藻葬灶凿葬遭则燥葬凿熏葬泽葬贼燥燥造怎泽藻凿贼燥凿藻葬造憎蚤贼澡凿蚤泽葬泽贼藻则葬糟鄄糟蚤凿藻灶贼泽熏贼澡藻哉粤灾糟葬灶早则藻葬贼造赠蚤皂责则燥增藻藻枣枣蚤糟蚤藻灶糟赠燥枣泽藻葬则糟澡蚤灶早葬灶凿则藻泽糟怎蚤灶早葬灶凿澡葬泽增藻则赠蚤皂责燥则贼葬灶贼泽燥糟蚤葬造泽蚤早灶蚤枣蚤糟葬灶糟藻援粤皂燥灶早贼澡藻皂熏贼澡藻糟燥灶贼则燥造泽赠泽贼藻皂蚤泽贼澡藻遭葬泽蚤泽枣燥则贼葬泽噪泽贼燥糟燥皂责造藻贼藻泽藻葬则糟澡葬灶凿则藻泽糟怎藻蚤灶凿藻责藻灶凿藻灶贼造赠熏遭怎贼葬造泽燥贼澡藻糟燥则灶藻则泽贼燥灶藻援云燥糟怎泽鄄蚤灶早燥灶贼澡藻糟燥灶贼则燥造皂藻贼澡燥凿熏贼澡蚤泽责葬责藻则泽贼怎凿蚤藻泽葬灶怎灶皂葬灶灶藻凿葬藻则蚤葬造增藻澡蚤糟造藻怎泽藻凿蚤灶贼澡藻葬怎贼燥灶燥皂燥怎泽泽藻葬则糟澡葬灶凿则藻泽糟怎藻憎蚤贼澡糟葬泽糟葬凿藻孕陨阅糟燥灶贼则燥造贼燥蚤皂责则燥增藻贼澡藻泽藻葬则糟澡葬灶凿则藻泽糟怎藻糟葬责葬遭蚤造蚤贼赠燥枣贼澡藻哉粤灾援栽澡藻藻曾责藻则蚤皂藻灶贼葬造则藻泽怎造贼泽增藻则蚤枣赠贼澡葬贼贼澡藻糟燥灶贼则燥造皂藻贼澡燥凿蚤泽则燥遭怎泽贼葬灶凿澡葬泽藻灶早蚤灶藻藻则蚤灶早增葬造怎藻葬灶凿泽糟蚤藻灶贼蚤枣蚤糟泽蚤早灶蚤枣蚤糟葬灶糟藻援运藻赠憎燥则凿泽押糟葬泽糟葬凿藻孕陨阅熏泽藻葬则糟澡葬灶凿则藻泽糟怎藻葬怎贼燥灶燥皂燥怎泽造赠熏哉粤灾熏则燥遭怎泽贼图员无人机飞行控制原理应用串级孕陨阅控制的自主搜救无人机52叶工业控制计算机曳圆园员愿年第猿员卷第圆期四元数和方向余弦矩阵对应关系为院砸灶遭越渊砸遭灶冤栽越择圆园垣择圆员原择圆圆原择圆猿圆渊择员择圆原择园择猿冤圆渊择员择猿垣择园择圆冤圆渊择员择圆垣择园择猿冤择圆园原择圆员垣择圆圆原择圆猿圆渊择圆择猿原择园择员冤圆渊择员择猿原择园择圆冤圆渊择圆择猿垣择园择员冤择圆园原择圆员原择圆圆垣择圆猿杉删山山山山煽闪衫衫衫衫渊猿冤设有四元数棕遭灶遭袁其表示的是机体坐标系相对于参考坐标系转动的角速度在机体坐标系上的投影袁则其与砸遭灶对应的四元数匝有以下关系院匝越员圆匝窑棕遭灶遭渊源冤展开四元素表示为院择觶园择觶员择觶圆择觶猿杉删山山山山山山煽闪衫衫衫衫衫衫越员圆园原棕遭灶遭曾原棕遭灶遭赠原棕遭灶遭扎棕遭灶遭曾园棕遭灶遭扎原棕遭灶遭赠棕遭灶遭赠原棕遭灶遭扎园棕遭灶遭曾棕遭灶遭扎棕遭灶遭赠原棕遭灶遭曾园杉删山山山山山煽闪衫衫衫衫衫择园择员择圆择猿杉删山山山山煽闪衫衫衫衫渊缘冤该式即为四元数的微分方程袁可使用龙格原库塔法或毕卡逼近法求解遥其可由下式计算院匝越择园择员择圆择猿杉删山山山山煽闪衫衫衫衫越糟燥泽鬃圆糟燥泽兹圆糟燥泽准圆垣泽蚤灶鬃圆泽蚤灶兹圆泽蚤灶准圆糟燥泽鬃圆泽蚤灶兹圆糟燥泽准圆垣泽蚤灶鬃圆糟燥泽兹圆泽蚤灶准圆糟燥泽鬃圆糟燥泽兹圆泽蚤灶准圆原泽蚤灶鬃圆泽蚤灶兹圆糟燥泽准圆原泽蚤灶鬃圆糟燥泽兹圆糟燥泽准圆垣糟燥泽鬃圆泽蚤灶兹圆泽蚤灶准圆杉删山山山山山山山煽闪衫衫衫衫衫衫衫渊远冤用贼蚤躁表示姿态矩阵砸灶遭中第蚤行第躁列的元素袁则欧拉角可由下式计算院准越贼葬灶原员渊贼猿圆辕贼猿猿冤兹越泽蚤灶原员渊原贼猿员冤鬃越贼葬灶原员渊贼圆员辕贼员员冤扇墒设设缮设设渊苑冤由上述无人机飞行原理可知袁通过控制该三个姿态角即可实现对无人机的飞行控制遥圆援圆串级孕陨阅控制因四旋翼飞行器的数学模型为非线性耦合模型咱员暂袁故引入孕澡尧孕准尧孕兹尧孕鬃四个控制量来进行系统控制遥其中孕澡表示垂直运动时电机的转速袁孕准尧孕兹尧孕鬃分别表示产生横滚尧俯仰尧偏航力矩的电机转速变化量遥可以将控制飞行器分解为对横滚角尧俯仰角和偏航角的单独控制袁这样可以将复杂的多变量输入输出的控制问题简化为单变量输入输出问题院孕员越孕澡垣孕准垣孕兹原孕鬃孕圆越孕澡原孕准垣孕兹垣孕鬃孕猿越孕澡原孕准原孕兹原孕鬃孕源越孕澡垣孕准原孕兹垣孕鬃扇墒设设缮设设渊愿冤在式渊愿冤中孕员尧孕圆尧孕猿尧孕源分别为驱动电机酝员尧酝圆尧酝猿尧酝源的孕宰酝控制量值袁控制量孕澡为飞行器的升力袁控制量孕准尧孕兹尧孕鬃分别为修正的横滚角尧俯仰角以及航向角遥最后还需要将孕员尧孕圆尧孕猿尧孕源限制在电调能接受的范围内袁孕准尧孕兹尧孕鬃采用串级孕陨阅控制算法计算袁外环为角度控制环袁输入是目标姿态角袁反馈是姿态估计的当前姿态角袁内环为角速度控制环袁输入是外环的输出值袁反馈是陀螺仪的测量值遥以俯仰角控制为例袁如图圆所示袁专则表示控制飞行器的目标俯仰角袁专和专觶分别为飞行器当前的俯仰角和俯仰角速度袁棕专是外环孕陨阅控制器的输出值袁哉专是内环孕陨阅控制器的输出值袁即孕兹越哉专遥图圆串级孕陨阅控制框图同理袁横滚角和偏航角的控制过程同上遥在搜救过程中通过对无人机的位姿和位置进行串级孕陨阅控制袁控制精度可得到提高袁从而可以提高搜救无人机搜救作业能力遥猿实验结果分析鉴于飞行器的空中飞行姿态比较复杂袁为便于验证控制算法袁只对飞行器飞行过程中的单个姿态角进行观察袁采用串级孕陨阅对姿态进行控制的测试结果如图猿所示遥图猿串级孕陨阅姿态控制由图猿可知袁虚线为实际输出姿态角曲线袁实线为目标姿态角曲线袁从两条曲线的吻合程度可以看出袁采用串级孕陨阅控制算法可以快速准确跟踪俯仰角目标姿态袁跟踪误差小于员毅袁调节时间小于园援圆泽袁而对于响应较慢的偏航角控制也能在圆泽内达到设置的目标角度遥同理袁实际通过手动控制飞行器飞行的方式测试了串级孕陨阅控制算法对飞行器位置的控制效果袁测试结果如图源所示遥图源串级孕陨阅位置控制由图源可知袁虚线为实际当前位置曲线袁实线为目标位置曲线遥从两条曲线的吻合程度可以看出袁采用串级孕陨阅控制算法对位置跟踪具有相对较高的精度袁受限于四轴飞行器的动态性能袁位置控制响应较慢遥源结束语实际测试表明袁采用串级孕陨阅控制算法的自主搜救无人机可根据预设的航迹进行自主搜寻袁在人体目标检测及定位方面具有较高的识别率和定位准确性袁定位精度较高袁能够完成野外环境下的自主搜救任务遥参考文献咱员暂杂葬造葬扎葬则原悦则怎扎杂熏耘泽糟葬则藻灶燥允熏蕴葬则葬阅熏藻贼葬造援耘皂遭藻凿凿藻凿糟燥灶贼则燥造泽赠泽贼藻皂枣燥则葬枣燥怎则原则燥贼燥则哉粤灾眼允演援陨灶贼藻则灶葬贼蚤燥灶葬造允燥怎则灶葬造燥枣粤凿葬责渊下转第缘缘页冤53叶工业控制计算机曳圆园员愿年第猿员卷第圆期渊上接第缘猿页冤贼蚤增藻悦燥灶贼则燥造葬灶凿杂蚤早灶葬造孕则燥糟藻泽泽蚤灶早熏圆园园苑熏圆员穴圆原猿雪押员愿怨原圆园源咱圆暂徐小明袁钟万勰援刚体动力学的四元数表示及保辛积分咱允暂援应用数学和力学袁圆园员源袁猿缘渊员冤院员原员员咱猿暂梁延德袁程敏袁何福本袁等援基于互补滤波器的四旋翼飞行器姿态解算咱允暂援传感器与微系统袁圆园员员袁猿园渊员员冤院缘远原缘愿咱源暂姚河花袁侯晓荣援基于匀韵郧的人体检测技术综述咱允暂援电子世界袁圆园员源渊圆冤院怨园咱缘暂阅葬造蚤葬灶蕴蚤怎熏再燥灶早杂澡蚤熏藻贼糟援砸葬皂责造燥泽泽灶燥灶责葬则葬造造藻造泽怎责责燥则贼增藻糟贼燥则皂葬糟澡蚤灶藻枣燥则责葬贼贼藻则灶糟造葬泽泽蚤枣蚤糟葬贼蚤燥灶眼允演援运灶燥憎造藻凿早藻原月葬泽藻凿杂赠泽鄄贼藻皂泽熏圆园员缘熏愿缘穴缘雪押圆圆源原圆猿猿咱收稿日期院圆园员苑援员员援远暂月圆控制电机的正反转和制动遥员援源无线收发模块使用过程中袁采用月辕杂模式对系统进行操控遥所以数据传输模块采用月原蕴蚤灶噪无线收发模块与家庭无线路由器相连袁进行数据的传输遥在实验室环境下袁其视频传输可达圆园枣责泽遥中远端监控模块的作用就是通过宰藻遭页面向用户提供实时的图像视频信息袁同时实现对运载平台运行的手动控制遥员援缘供电模块系统选用苑援圆灾原员粤原猿园园园皂粤澡的直流电池模块供电遥圆系统软件设计系统软件设计使用粤造贼藻则葬公司的综合性孕蕴阅辕云孕郧粤开发软件匝怎葬则贼怎泽陨陨员圆援园袁其支持原理图尧灾匀阅蕴尧灾藻则蚤造燥早匀阅蕴以及粤匀阅蕴渊粤造贼藻则葬匀葬则凿憎葬则藻阅藻泽糟则蚤责贼蚤燥灶蕴葬灶早怎葬早藻冤等多种设计输入形式袁内嵌自有的综合器以及仿真器袁可以完成从设计输入到硬件配置的完整孕蕴阅设计流程遥另外袁其