【无人机飞行控制方法研究的国内外文献综述2900字】

VII无人机飞行控制方法研究的国内外文献综述无人机飞行控制方法经典控制理论是到目前为止发展最成熟的控制技术，他凭借着算法简单、可靠性高和鲁棒性好等特点被广泛应用于飞行器控制系统的设计中。但是经典PID方法也有不足之处，越来越复杂的飞行器任务，要求性能指标不断提升。对于复杂系统经典PID控制模型的参数整定较为困难，且没有理论指导参数整定过程，全飞行包线内的飞行性能难以保证。Öner等[15]在六自由度非线性模型的基础上，将实际控制变量转化为每个控制通道的伪控制变量，通过伪控制变量将飞行控制解耦。Papachristos等[16]利用三个姿态角(俯仰、滚转以及偏航)控制通道的传递函数，分别对三个通道进行了PID控制器的设计，输出了伯德图和根轨迹等图像进行控制性能分析，并且最终对飞机进行了悬停测试，对PID控制器的可行性进行验证。自抗扰控制（ActiveDisturbanceRejectionControl,ADRC）是利用误差从而来消除误差的控制方法。实际上，可以很轻松地得到被控对象与实际控制目标的形位误差。PID控制器不具有可靠的抗扰能力，因为PID控制是在等待扰动对结果造成影响后再进行反馈控制，消耗过多的能源。而自抗扰控制方法来源于PID，在保留了经典PID控制方法的一些优点的同时也很好地对于不足进行了弥补。自抗扰控制的鲁棒性很强，在文献[17-18]中，估计四旋翼飞行器总扰动时就通过扩张状态观测器来进行估计，并且做出相应的动态补偿，从而实现了四旋翼的飞行控制的高精度。文献[19]中在对干扰进行估计与补偿时也利用了扩张状态观测器，从而在对无精确的数学模型、有气动参数偏差的情况下，实现了稳定的、鲁棒飞行控制，并且得出PID控制方法相比于ADRC性能较差。ADRC性能较好的结论。从上世纪80年代开始一直到现在，在航空航天领域中鲁棒控制理论得到了广泛的发展和应用。20世纪80年代，Safonov、Chiang等[4]将控制理论引入到航天飞机控制系统中，从而设计了飞行器的侧向控制系统。1991年，Wise[5]在设计BTT导弹的自动驾驶仪时充分考虑结构上的不确定性，并且采用了综合方法，他将这种方法与LQG方法做了比较，他发现其他两种方法相比于综合设计方法，效果没有那么好。20实际90年代，Hyde和Glover[6]利用调度控制器为某垂直起降飞机进行控制系统的设计。五年后，Springer[7]出版了与鲁棒飞行控制相关的专辑，对于各种鲁棒控制理论在飞机的控制系统中的应用进行了讨论，并且其对于欧洲的GARTEUR(TheGroupforAeronauticalResearchandTechnologyinEurope)在鲁棒飞行控制系统设计领域取得的各种成就进行了展示。21世纪，Natesan和Bhat[8]设计离散化的无人机控制器时直接使用了离散时间控制理论，他们为了对增益调度进行一定的避免，将对于不确定性扰动最为敏感的飞行状态选取为设计点。最后，进行了飞行验证，他们发现把离散的鲁棒控制器运用于飞行控制中会有不错的效果。增益调度控制方法是适用于非线性模型的一种变参数控制的方法，在无人机进行内回路控制时通常采用这种控制方法。但是，传统增益调度控制方法在遇到敏感性强的姿态回路时，效果不是很好，整定参数复杂，因此不太好去保证系统的稳定性。在传统的增益调度控制方法进行优化后可以得到线性变参数的控制方法(LinearParameterVarying,LPV)。LPV控制方法能够精确的识别和描述时变系统的动态特性，以无人机的动态模型为例，LPV控制方法可以降低无人机大包线飞行时的调参的工作量，提高系统被控鲁棒性。这是传统增益调度方法所不具备的。LPV控制理论体系在数年的发展后越来越成熟，在直升机控制领域中它经常与鲁棒控制理论相结合，这种混合控制方法效果显著。比如在F-16中就采用了线性变参数切换控制的混合控制方法[20]。有国外研究人员曾经提出过一种14阶LPV小型直升机模型，很好地验证了LPV控制方法应用于直升机控制领域中是可行的[21]。文献[22]中，采用了曲线拟合的办法，将非线性系统线性化后系统增益调度函数无法确定的问题进行了很好地解决。但是有一些直升机的系统模型阶数会很高，国内部分学者利用平衡截断技术很好地改进了LPV控制方法，从而将阶数过高的问题进行了解决[23]。除此之外，文献[24-26]也验证了LPV控制方法在无人机领域的适用性。LPV控制方法在有上述优点的同时也存在一些弊端，当遇到飞行模态极多的此类无人机时，为了保证准确性就要建立无数个子系统对无人机模型进行逼近设计，这种方式严重影响了控制性能。Apkarian[27]采用了多胞理论的思想，将其结合LPV控制方法，采取凸顶点的理论想法，将多胞区间顶点作为线性子系统，然后进行顶点控制器的设计，这样做有效的解决了LPV控制方法中线性子系统选取问题，从而进一步完善了LPV控制方法。可是，LPV控制方法又不可避免地受到线性控制方法的影响和约束，状态空间模型里的一些系数较为复杂，多线性系统逼近非线性系统时会丢失一些系统信息等缺陷仍无法完全避免。随无人机飞行包线的增大，要想使整个飞行包线内无人机的鲁棒性能较好，倘若只是在单一特征点设计鲁棒控制器，很难达到这一要求。然而如果将传统的增益调度思想与鲁棒控制器结合起来，综合控制，从而能够在飞行状态变化时，控制器参数可以随之做出相应的调整，从而提高该控制方法的性能。1995年，Balas、Packard等人[9]在设计F-14战斗机侧向轴的LPV控制器时考虑了鲁棒增益调度理论的可行性，并且获得了一定效果。在此文献中，在建立了关于被控对象以及控制器的空间LPV模型的基础上将设计控制器的问题转化为求解一组仿射矩阵不等式的问题。在整个飞行器的运行过程中，当调度参数变化时，控制器随之变化，使得保证了飞机在飞行包线内的高性能以及稳定性。2010年，Chen[11]基于参数依赖线性矩阵不等式和李雅普诺夫函数，在设计两组无人机的控制器时采取了2自由度设计和回路成型设计。参考文献[1]ERICWF.Flightdemonstationsofself-directedcollaborativenavigationofsmallunmannedaircraft[C]//AIAA3rdUnmannedUnlimitedTechnicalConference,WorkshopandExhibit.Chicago,Illinois.2004:346-352.[2]BRIANLS,FRANKL.AircraftControlandSimulation[M].Hoboken,NewJersey:JOHNWILEY＆SONS.INC,1992:14-109.[3]崔秀敏,王维军,方振平等.小型无人机发展现状及其相关问题分析[J].飞行力学,2005,23(1):14-18.[4]SafonovM,ChiangR,FlashnerH.H∞ControlSynthesisforaLargeSpaceStructure[C].ProceedingsofAmericanControlConference.Atlanta,USA,1988.[5]WiseK,PoolaK.MissileAutopilotDesignUsingH∞OptimalControlwithμSynthesis[C].ProceedingsofAmericanControlConference.1991.[6]HeydeRA,GloverK.TheApplicationsofScheduledH∞ControllertoaV/STOLAircraft[J].IEEETransactionsAutomaticControl,1993,AC-38(7):1021-1039.[7]MagniJF,BennaniS,TerlouwJ.RobustFlightControl:ADesignChallenge.LectureNotesinControlandInformationSciences224[M].London:SpringerVerlag,1997.[8]NatesanK,BhatMS.DesignandFlightTestingofH∞LateralFlightControlforanUnmannedAirVehicle[C].16thIEEEInternationalConferenceonControlApplications.Singapore,2007.[9]BalasGJ,FialhoI,PackardA.OntheDesignofLPVControllersfortheF-14AircraftLateral-DirectionalAxisduringPoweredApproach[C].ProceedingsoftheAmericanControlConference.Albuquerque,NewMexico,1997.[10]NatesanK,GuD,PostlethwaiteI.DesignofLinearParameterVaryingTrajectoryTrackingControllersforanUnmannedAirVehicle[J].JournalofAerospaceEngineering,2010,224(G):395-402.[11]ChenJ.RobustLinearParameterVaryingControlofanUnmannedAerialVehicle[D].Leicester:UniversityofLeicester,2010.[12]HuangJ,LinC,SlidingF.ModeControlofHaveDashⅡMissileSystems[C].ProceedingsofAmericanControlConference.1993.[13]SadraeyMH.DesignofaNonlinearRobustControllerforaCompleteUnmannedAerialVehicleMission[D].Kansas:UniversityofKansas,2005.[14]McfarlanMB,CaliseAJ.NeuralAdaptiveNonlinearAutopilotDesignforanAgileAnti-AirMissile[C].AIAAGuidance,NavigationandandControlConference.SanDiego,California,1996.[15]ÖnerKT,ÇetinsoyE.Mathematicalmodelingandverticalflightcontrolofatilt-wingUAV[J].TurkishJournalofElectricalEngineering&ComputerSciences,2012,20(1):149-157.[16]PapachristosC,AlexisK,TzesA.Designandexperimentalattitudecontrolofanunmannedtilt-rotoraerialvehicle[A].In:201115thInternationalConferenceonAdvancedRobotics(ICAR)[C].Tallinn:IEEE,2011.465-470.[17]牛轶峰,沈林成,龙涛.攻击型无人飞行器自主控制技术研究综述[J].系统工程与电子技术,2007,29(3):391-395.[18].Sun,StudyH.onanalgorithmofmulti-sensordatafusion[C].IEEEProceedingsoftheNationalAerospaceandElectronicsConference.1994,1:239~245.[19]Valerie.A,Jones,ShahriarK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