冯坤辉 王晓莉 来飞龙 管若乔
中国民航大学
摘要 为了改善传统的四旋翼无人机在狭隘通道中的通行能力，设计了一种新型可倾转四旋翼无人机。该无人机通过舵机控制四个旋翼电机独立绕轴倾转，较传统无人机增加了两个自由度，可改变无人机飞行姿态穿越狭隘环境。首先，建立了可倾转四旋翼的动力学模型。随后，基于PID算法设计了一种PIFF比例积分前馈控制器。最后，基于Ubuntu系统及Gazebo可视化平台开展了轨迹跟踪仿真实验。实验结果表明，所设计的PIFF控制方法具备较强的鲁棒性及有效性，可大幅提高可倾转四旋翼无人机的抗扰能力。
关键词 可倾转四旋翼无人机; PIFF控制方法; Gazebo仿真
0 引言
四旋翼无人机正在革新从农业到交通、安全、基础设施、娱乐和搜救等诸多行业。该类飞行器的高机动性和可悬停能力使它能够长时高效地执行侦察、巡检、测绘，以及勘探地下隧道等任务。然而，传统的四旋翼无人机仅具备4个自由度，在沿水平位置飞行时均伴随有姿态变化，极大地限制了四旋翼无人机穿越狭窄缝隙或洞口的能力。
针对传统四旋翼无人机欠驱动的缺陷，设计一种由伺服电机驱动螺旋桨进行倾转运动的可倾转四旋翼无人机。在实际操作时，通过改变螺旋桨的倾斜角度，可令无人机以特定姿态进行轨迹跟踪飞行。换言之，可在不缩小无人机尺寸的情况下使其穿越狭窄间隙，从而实现无人机有效载荷与可通行性的平衡。
虽然可倾转四旋翼无人机有着许多传统无人机无法比拟的优势，但其新的结构形式也带来了强耦合性、抗扰动能力弱、鲁棒性差等问题[1]。针对这些问题，李彦伟等人设计了一种串级PID控制器，实现了四旋翼飞行器在倾转状态下稳定飞行[2]。卢凯文等人设计了全向ADRC控制器提高飞行器对外部环境干扰和内部不确定因素的适应性，并在仿真环境下验证了算法的有效性及强鲁棒性[3]。周楠等人针对倾转无人机非线性的特性，设计了基于反步法的双闭环控制器，并通过仿真验证了设计的控制系统可靠有效[4]。
本文基于传统PID算法设计了一种P-PIFF比例积分前馈控制器，该控制器可在外部扰动进入系统之前加以一定补偿。基于Ubuntu系统及Gazebo可视化平台进行的仿真结果证明，所设计的控制方法具备鲁棒性强、抗扰性强等优势。
1 总体设计
1.1运动学建模
假设可倾转四旋翼无人机机体为刚体，定义机体坐标系为,原点位于无人机质心处。如图1所示。
.png)
在实际飞行中，可倾转四旋翼的运动学模型与常规四旋翼模型一致：
.png)
1.2 动力学建模
相较于常规四旋翼无人机仅能够同时控制四个自由度的输出，可倾转四旋翼无人机具有六个自由度，是一种全向运动刚体系统[5]。在该系统中，四个旋翼的双向倾转可使机体获得任意方向的控制力和控制力矩[6]。因此，该类飞行器的六个控制回路完全解耦，可被独立设计并调试。可倾转四旋翼无人机的动力学模型可描述为：
.png)
考虑到无人机的未建模动态及在实际飞行时受到的风扰、紊流、风切变等外部扰动对飞行效果有着不利影响，需要设计一种可以抑制系统内外扰动的控制器对机体进行补偿。
PID控制是控制工程领域应用最广泛的控制方法，它具备结构简单、控制精度良好、鲁棒性强等优点[6]。然而，可倾转四旋翼无人机执行机构较多，较传统四旋翼无人及更易受外部扰动影响，采用传统的PID算法难以达到理想的控制效果。因此，在可倾转四旋翼无人机的角度-角速度控制回路采用了P-PIFF双闭环控制结构，外环控制角度，内环控制角速度。此控制方法可在扰动产生后、反馈信号未产生作用之前，便适应性地补偿扰动导致的不利影响。以俯仰通道姿态控制器为例，P-PIFF控制结构如图2所示：
.png)
2仿真实验
基于Ubuntu系统下的Gazebo可视化仿真平台，基于两类轨迹进行了可倾转四旋翼飞行器的跟踪仿真，分别为圆形轨迹跟踪及矩形轨迹跟踪，且两类实验分别对有无风扰的情况下轨迹跟踪进行了对比，结果说明了PIFF控制器鲁棒性好，可靠性高。仿真参数如表1所示：
.png)
2.1圆形轨迹跟踪控制仿真
.png)
2.2矩形轨迹跟踪仿真
.png)
从图3、图6可以看出，所设计PIFF控制器的动态性能和稳态性能良好，均能以极低的位姿误差实现对期望圆形、矩形轨迹的稳定跟踪。由图4、图5、图7、图8则可以看出，在持续风干扰下，位置响应虽存在一定延迟，但位置跟踪误差始终保持在1s以内；姿态角的响应虽存在部分振荡，但姿态跟踪误差始终小于0.06°，且机体在持续风扰动条件下与无风扰条件下的轨迹跟踪效果基本持平。
3结束语
本文主要介绍了无人机飞行控制仿真训练系统的整体设计方案，重点阐述了系统构建的三个模块的作用及其联系，能够真实的模拟出无人机的飞行控制。此仿真系统能够很好地展现模拟飞行中无人机姿态信息等相关数据，并以曲线图的方式进行记录。同时系统使用方便、易于维护，可进行更多飞行训练方面的拓展，这对提高训练员的飞行水平 ,节省飞行训练的成本有着极其重要的意义。 本文设计了一型可倾转四旋翼无人机，在进行机体运动学和动力学建模的基础上，设计了一种P-PIFF比例积分前馈控制器。仿真实验结果表明，可倾转四旋翼无人机拥有比常规旋翼无人机更优异的机动性能，且所设计的P-PIFF比例积分前馈控制器可应用于该类机体的位姿控制，具有响应速度快、精度高、超调量小、抗扰动性能好等优点。
参考文献
[1]陈在斌. 倾转旋翼无人机控制系统关键技术研究[D].中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2020..
[2]刘彦伟,刘三娃,王李梦,牛福洲,李鹏阳,李言.可倾转变形四旋翼飞行器建模与飞行仿真[J].机械科学与技术,2020,39(04):635-640.
[3]卢凯文,杨忠,张秋雁,许昌亮,徐浩,徐向荣.推力矢量可倾转四旋翼自抗扰飞行控制方法[J].控制理论与应用,2020,37(06):1377-1387.
[4]周楠,王亮,艾剑良.基于反步法的矢量推力旋翼机建模及仿真研究[J].系统仿真学报,2020,32(06):1117-1125.
[5]卢凯文,杨忠,许昌亮,徐浩,陆可.基于非线性分离的可倾转四旋翼LQR飞行控制研究[J].南京信息工程大学学报(自然科学版),2019,11(04):390-397.
[6]李瑞朋. 基于自抗扰控制技术的PMSM无传感器系统研究[D].哈尔滨工业大学,2019.