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非对称多旋翼无人机线性控制的建模、仿真与实现

创作时间:

作者:

@小白创作中心

非对称多旋翼无人机线性控制的建模、仿真与实现

引用

CSDN

https://blog.csdn.net/matlab_daizuo/article/details/146396904

多旋翼无人机因其垂直起降能力、灵活的机动性和相对简单的结构，在测绘、监控、运输等领域得到了广泛应用。然而，传统的对称多旋翼无人机在负载能力、飞行时间等方面存在局限。非对称多旋翼无人机，通过采用不同尺寸、倾角、转速的旋翼，理论上可以实现更高的负载能力和更长的飞行时间，但同时也带来了更复杂的动力学特性，对控制算法提出了更高的要求。本文将探讨非对称多旋翼无人机线性控制的建模、仿真与实现，并着重讨论比例积分微分(PID)控制、线性二次高斯(LQG)控制和模型预测控制(MPC)等控制方案。

一、非对称多旋翼无人机的建模

非对称多旋翼无人机的建模是控制设计的基础。与对称结构相比，非对称结构导致无人机的重心不在几何中心，各旋翼产生的推力、力矩也可能不对称，使得动力学方程更为复杂。因此，需要进行精确的建模，以保证控制算法的有效性。

首先，需要建立无人机的坐标系，通常选择机体坐标系和惯性坐标系。机体坐标系的原点位于无人机的重心，三个坐标轴分别指向机头、右翼和下方。惯性坐标系通常选择地球固定坐标系。然后，需要推导无人机的动力学和运动学方程。动力学方程描述了无人机受到的力和力矩与加速度和角加速度之间的关系，而运动学方程则描述了无人机的位置、姿态与速度、角速度之间的关系。

对于非对称多旋翼无人机，动力学方程需要考虑以下因素：

重心偏移：
由于旋翼分布的不对称，无人机的重心通常不在几何中心。因此，需要精确计算重心位置，并将其纳入动力学方程。
非对称推力：
各旋翼产生的推力可能不同，需要分别计算每个旋翼的推力，并将其转化为机体坐标系下的力和力矩。可以使用旋翼的螺旋桨理论，结合旋翼的转速和气动参数，计算出每个旋翼的推力。
非对称力矩：
除了推力，旋翼还会产生力矩，这些力矩也可能不对称。需要考虑旋翼的旋转方向、旋翼臂长等因素，计算出每个旋翼产生的力矩，并将其转化为机体坐标系下的力矩。

运动学方程则可以使用欧拉角或四元数来描述无人机的姿态。欧拉角易于理解，但存在奇异性问题；四元数则可以避免奇异性问题，但需要更多的计算量。

得到动力学和运动学方程后，可以对其进行线性化处理。线性化可以在平衡点附近进行，例如悬停状态。线性化后的模型可以简化控制器的设计，并提高控制器的性能。

二、非对称多旋翼无人机的仿真

在实际飞行前，对控制算法进行仿真验证至关重要。仿真可以帮助我们评估控制算法的性能，发现潜在的问题，并进行参数调整。

常用的仿真软件包括MATLAB/Simulink、Gazebo、AirSim等。MATLAB/Simulink可以进行较为抽象的系统级仿真，而Gazebo和AirSim则可以进行更真实的物理仿真，包括气动效应、传感器噪声等。

在仿真中，需要考虑以下因素：

模型的准确性：
仿真结果的可靠性取决于模型的准确性。需要尽可能地使用精确的模型，包括动力学模型、传感器模型、执行器模型等。
环境的复杂性：
仿真环境应该尽可能地接近实际环境，包括风扰动、地面效应等。
传感器的噪声：
传感器会受到噪声的影响，需要在仿真中模拟传感器的噪声。
执行器的延迟：
执行器需要一定的时间才能响应控制信号，需要在仿真中模拟执行器的延迟。

通过仿真，可以评估控制算法的性能指标，例如：

跟踪精度：
控制器能否准确跟踪期望的轨迹。
稳定时间：
控制器需要多长时间才能将系统稳定到期望状态。
超调量：
系统响应超过期望值的程度。
抗扰动能力：
控制器能否克服外部扰动的影响。

三、非对称多旋翼无人机的线性控制方案

以下将讨论几种常用的线性控制方案，并分析其在非对称多旋翼无人机上的应用：

比例积分微分(PID)控制

PID控制是一种经典的控制算法，其原理是根据误差、误差的积分和误差的微分来调整控制量。PID控制器结构简单，易于实现，但对模型的依赖性较弱。

对于非对称多旋翼无人机，可以分别设计PID控制器来控制无人机的位置、姿态和速度。例如，可以分别设计PID控制器来控制无人机的X轴位置、Y轴位置、Z轴位置、横滚角、俯仰角和偏航角。

PID控制器的参数需要根据具体的无人机模型和飞行任务进行调整。常用的参数调整方法包括经验法、试错法、Ziegler-Nichols方法和遗传算法等。

虽然PID控制简单易行，但其性能受限于线性模型假设，且难以处理复杂的约束条件。

线性二次高斯(LQG)控制

LQG控制是一种最优控制算法，其原理是在线性模型和高斯噪声的假设下，寻找最优的控制策略，使得二次型的代价函数最小化。LQG控制器结合了线性二次调节器(LQR)和卡尔曼滤波器。LQR用于设计状态反馈增益，使得系统稳定并具有良好的动态性能；卡尔曼滤波器用于估计系统的状态，抑制噪声的影响。

LQG控制需要精确的线性模型和噪声模型。对于非对称多旋翼无人机，可以使用线性化后的动力学模型和传感器噪声模型。

LQG控制器的优点是性能优异，可以实现最佳的控制效果；缺点是计算量较大，需要较高的硬件资源。

模型预测控制(MPC)

MPC是一种基于模型的优化控制算法，其原理是在每个控制周期内，根据当前的状态和未来的控制输入，预测系统未来的状态，然后通过求解优化问题，得到最优的控制输入序列。MPC具有预测性，可以提前采取措施，避免系统出现偏差。同时，MPC可以处理系统的约束条件，例如执行器的饱和限制。

对于非对称多旋翼无人机，可以使用线性化后的动力学模型作为预测模型。MPC的优化问题通常是一个二次规划问题，可以使用现成的优化求解器进行求解。

MPC的优点是性能优异，可以处理约束条件；缺点是计算量较大，需要较高的硬件资源。为了降低计算量，可以使用快速MPC算法，例如显式MPC和梯度算法等。

四、非对称多旋翼无人机的实现

在实际飞行中，需要将控制算法部署到无人机的飞行控制器上。飞行控制器通常采用嵌入式系统，例如ARM Cortex-M系列处理器。

实现过程中需要注意以下几个方面：

控制器的实时性：
飞行控制是一个实时性要求很高的任务，需要保证控制器的计算速度足够快，能够及时响应传感器的信号。
传感器的精度和噪声：
传感器是控制器的重要输入，传感器的精度和噪声会直接影响控制器的性能。需要选择合适的传感器，并进行滤波处理，降低噪声的影响。
执行器的响应速度和精度：
执行器是控制器的输出，执行器的响应速度和精度会直接影响控制器的性能。需要选择合适的执行器，并进行标定，提高精度。
通信的可靠性：
无人机需要与地面站进行通信，通信的可靠性是保证无人机安全飞行的重要因素。

五、结论与展望

本文探讨了非对称多旋翼无人机线性控制的建模、仿真与实现，并讨论了PID控制、LQG控制和MPC等控制方案。非对称多旋翼无人机的建模是控制设计的基础，需要考虑重心偏移、非对称推力和非对称力矩等因素。仿真可以帮助我们评估控制算法的性能，发现潜在的问题，并进行参数调整。PID控制结构简单，易于实现，但性能受限；LQG控制性能优异，但计算量较大；MPC具有预测性，可以处理约束条件，但计算量也较大。

未来研究方向包括：

非线性控制算法：
线性控制算法在一定程度上简化了控制器的设计，但其性能受限于线性模型假设。可以研究非线性控制算法，例如反步法、滑模控制等，以提高控制器的性能。
自适应控制算法：
无人机的参数会随着时间的推移而变化，例如电池电压的下降，旋翼的磨损等。可以研究自适应控制算法，能够自动调整控制器的参数，以适应无人机的变化。
鲁棒控制算法：
无人机在飞行过程中会受到外部扰动的影响，例如风扰动。可以研究鲁棒控制算法，能够克服外部扰动的影响，保证无人机的稳定飞行。
基于深度学习的控制算法：
近年来，深度学习在控制领域得到了广泛应用。可以研究基于深度学习的控制算法，利用深度神经网络来学习无人机的动力学模型和控制策略，以提高控制器的性能。