四旋翼飞行器机载目标视频跟踪与控制技术研究(5)

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1.4 主要控制方法

目前，应用于四旋翼直升机控制问题的研究方法主要有以下几种：

（1）PID

PID是线性系统控制器设计最常用的方法之一，它具有控制器结构简单，可靠性高等特点。PID控制适用于可建立精确数学模型的确定性系统，而四旋翼飞行器模型系统是一个多变量、非线性、强耦合的系统。应用常规PID控制器很难达到理想的控制效果。姿态控制是整个飞行控制的关键，如果能精确控制飞行器姿态，则采用PID控制律足以实现其位置与速度控制。

（2）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，饱和控制问题实质上是一种有界控制，针对四旋翼直升机的特点，提出了基于李雅普诺夫稳定性的多饱和控制算法。将四旋翼直升机的俯仰和滚转通道看作是多个积分器的串联系统，利用饱和函数来实现系统的有界控制。

（3）滑膜控制

滑膜控制是一种强鲁棒性的变结构控制方法。滑膜控制由于其抗干扰性能强及算法简单等特点受到国内外控制界的普遍重视，其主要优点是对系统的不确定性和外来干扰具有较强的鲁棒性，只需估计干扰的界限而无需测定其具体值就可实现控制器的设计。滑膜控制方法对于四旋翼直升机的欠驱动非线性耦合问题的解决有待提高[10]。

（4）反步法

Backstepping是非线性系统控制器设计最常用的方法之一，它是将李雅普诺夫函数的选取与控制器的设计相组合的一种回归设计方法。从系统的最低阶次微分方程开始，引入虚拟控制的概念，一步一步设计满足要求的虚拟控制，最终设计出真正的控制律。这种非线性控制技术与反馈线性化的主要区别在于：它是直接从李雅普诺夫稳定性理论出发来设计控制器，设计的结果自然就保证了系统的稳定性。同时，它在处理系统的非线性特性时提供了更大的灵活性，在用李雅普诺夫函数保证系统的稳定性的前提下，对于系统非常中部分有利于系统稳定的非线性项不进行反馈线性化。

1.5 研究意义和应用前景

进入20世纪90年代，随着新型材料、微机电(MEMS)、微惯导(MIMU)以及飞行控制等技术的进步，微小型无人机以其体积小、重量轻、操纵方便、机动灵活、噪音小、隐蔽性好等卓越性能，在军事及民用领域展现出广阔应用前景。近年来，由于军事作战模式的转变，获得战场信息，争取信息主动权越来越重要，尤其需要小型无人飞行器搭载侦测设备在高度复杂的城市环境，山区环境下，无人飞行器作为侦测设备的机载平台，往往强调的是低空，低速性能，固定翼无人机，起降时需要场地保障，而且装备级别较高，难以对城市，山区环境中战斗小分队提供及时的信息保障，因此需要无人飞行器具有能够垂直起降和悬停的能力。目前正在使用的无人机系统大都采用常规固定翼气动布局采用滑跑、手掷或者专用的发射装置弹射起飞；采用掠飞或者盘旋等方式对目标进行侦察、监视。在城市环境中，传统的无人机较难从复杂多变的楼宇间获取战术信息。因此，一种能够从狭小地域上放飞、在复杂空情中灵活机动的战术无人机成为无人机领域研究的热点。涵道无人飞行器能够垂直起降和悬停，能够适应复杂的城市，山区起降环境，具有“悬停并凝视”目标的能力，而且还可以抵近建筑物飞行，对目标物提供精确定位[11]。并能依靠涵道风扇前倾提供的向前拉力实现前飞，且其结构紧凑，机动性能良好，具有较强的适应能力，应用范围广，因而成为当今无人飞行器的研究热点之一，