多旋翼无人机飞行控制方法讲解

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多旋翼无人机飞行控制方法讲解

　　为了克服某些线性控制方法的限制，一些非线性的控制方法被提出并且被运用到飞行器的控制中。下面是小编为大家分享多旋翼无人机飞行控制方法讲解，欢迎大家阅读浏览。

　　1、线性飞行控制方法

　　常规的飞行器控制方法以及早期的对飞行器控制的尝试都是建立在线性飞行控制理论上的，这其中就又有诸如PID、H∞、LQR以及增益调度法。

　　1.PID PID控制属于传统控制方法，是目前最成功、用的最广泛的控制方法之一。其控制方法简单，无需前期建模工作，参数物理意义明确，适用于飞行精度要求不高的控制。

　　2.H∞ H∞属于鲁棒控制的方法。经典的控制理论并不要求被控对象的精确数学模型来解决多输入多输出非线性系统问题。现代控制理论可以定量地解决多输入多输出非线性系统问题，但完全依赖于描述被控对象的动态特性的数学模型。鲁棒控制可以很好解决因干扰等因素引起的建模误差问题，但它的计算量非常大，依赖于高性能的处理器，同时，由于是频域设计方法，调参也相对困难。

　　3.LQR LQR是被运用来控制无人机的比较成功的方法之一，其对象是能用状态空间表达式表示的线性系统，目标函数为是状态变量或控制变量的二次函数的积分。而且Matlab软件的使用为LQR的控制方法提供了良好的仿真条件，更为工程实现提供了便利。

　　4.增益调度法增益调度(Gain scheduling)即在系统运行时，调度变量的变化导致控制器的参数随着改变，根据调度变量使系统以不同的控制规律在不同的区域内运行，以解决系统非线性的问题。该算法由两大部分组成，第一部分主要完成事件驱动，实现参数调整。如果系统的运行情况改变，则可通过该部分来识别并切换模态;第二部分为误差驱动，其控制功能由选定的模态来实现。该控制方法在旋翼无人机的垂直起降、定点悬停及路径跟踪等控制上有着优异的性能。

　　2、基于学习的飞行控制方法

　　基于学习的飞行控制方法的特点就是无需了解飞行器的动力学模型，只要一些飞行试验和飞行数据。其中研究最热门的有模糊控制方法、基于人体学习的方法以及神经网络法。

　　1.模糊控制方法(Fuzzy logic)模糊控制是解决模型不确定性的方法之一，在模型未知的情况下来实现对无人机的控制。

　　2.基于人体学习的方法(Human-based learning) 美国MIT的科研人员为了寻找能更好地控制小型无人飞行器的控制方法，从参加军事演习进行特技飞行的飞机中采集数据，分析飞行员对不同情况下飞机的操作，从而更好地理解无人机的输入序列和反馈机制。这种方法已经被运用到小型无人机的自主飞行中。

　　3.神经网络法(Neural networks) 经典PID控制结构简单、使用方便、易于实现，但当被控对象具有复杂的非线性特性、难以建立精确的数学模型时，往往难以达到满意的控制效果。神经网络自适应控制技术能有效地实现多种不确定的、难以确切描述的非线性复杂过程的控制，提高控制系统的鲁棒性、容错性，且控制参数具有自适应和自学习能力。

　　3、基于模型的非线性控制方法

　　为了克服某些线性控制方法的限制，一些非线性的控制方法被提出并且被运用到飞行器的控制中。这些非线性的控制方法通常可以归类为基于模型的非线性控制方法。这其中有反馈线性化、模型预测控制、多饱和控制、反步法以及自适应控制。

　　1.反馈线性化(feedback linearization)反馈线性化是非线性系统常用的一种方法。它利用数学变换的方法和微分几何学的知识，首先，将状态和控制变量转变为线性形式，然后，利用常规的线性设计的方法进行设计，最后，将设计的结果通过反变换，转换为原始的状态和控制形式。反馈线性化理论有两个重要分支：微分几何法和动态逆法，其中动态逆方法较微分几何法具有简单的推算特点，因此更适合用在飞行控制系统的设计上。但是，动态逆方法需要相当精确的飞行器的模型，这在实际情况中是十分困难的。此外，由于系统建模误差，加上外界的各种干扰，因此，设计时要重点考虑鲁棒性的因素。动态逆的方法有一定的工程应用前景，现已成为飞控研究领域的一个热点话题。

　　2.模型预测控制(model predictive control)模型预测控制是一类特殊的控制方法。它是通过在每一个采样瞬间求解一个有限时域开环的最优控制问题获得当前控制动作。最优控制问题的初始状态为过程的当前状态，解得的最优控制序列只施加在第一个控制作用上，这是它和那些预先计算控制律的算法的最大区别。本质上看模型预测控制是求解一个开环最优控制的问题，它与具体的模型无关，但是实现则与模型相关。

　　3.多饱和控制(nested saturation)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。运用多饱和控制的方法设计多旋翼无人机，可以解决其它控制方法所不能解决的很多实际的问题。尤其是对于微小型无人机而言，由于大倾角的动作以及外部干扰，致动器会频繁出现饱和。致动器饱和会限制操作的范围并削弱控制系统的稳定性。很多方法都已经被用来解决饱和输入的问题，但还没有取得理想的效果。多饱和控制在控制饱和输入方面有着很好的全局稳定性，因此这种方法常用来控制微型无人机的稳定性。

　　4.反步控制(Backstepping)反步控制是非线性系统控制器设计最常用的方法之一，比较适合用来进行在线控制，能够减少在线计算的时间。基于Backstepping的控制器设计方法，其基本思路是将复杂的系统分解成不超过系统阶数的多个子系统，然后通过反向递推为每个子系统设计部分李雅普诺夫函数和中间虚拟控制量，直至设计完成整个控制器。反步方法运用于飞控系统控制器的设计可以处理一类非线性、不确定性因素的影响，而且已经被证明具有比较好稳定性及误差的收敛性。

　　5.自适应控制(adaptive control)自适应控制也是一种基于数学模型的控制方法，它最大的特点就是对于系统内部模型和外部扰动的信息依赖比较少，与模型相关的信息是在运行系统的过程中不断获取的，逐步地使模型趋于完善。随着模型的不断改善，由模型得到的控制作用也会跟着改进，因此控制系统具有一定的适应能力。但同时，自适应控制比常规反馈控制要复杂，成本也很高，因此只是在用常规反馈达不到所期望的性能时，才会考虑采用自适应的方法。

　　拓展阅读：

　　无人机拍照技巧

　　开阔的空间：如果你是个初学者，一定要记住避开水域或者茂密的植被，找一个尽量开阔的空间，因为刚开始练习时并不需要很好的技巧和特技飞行。

　　采光问题：空中拍摄时，一定要注意光线问题。

　　预先计划，节约电池：目前市场上大多数无人机的飞行时间是20-30分钟，比如GoPro家即将上市的Karma，满电情况下支持20分钟航拍；大疆精灵4，满电情况下飞行时间为28分钟。所以，一定要预先做好拍摄计划，节约电池，并在电池允许的情况下返航。

　　遵守规定：这点很重要，你要提前确认无人机航拍规定，要确保我们所选的飞行区域没有违反规定。无人机飞行区域、航拍限高限距和无人机航拍操控人员资质等，都要全面考虑。

　　设置录制参数：飞行之前，根据你的项目或作品需求，预先设置好录制参数。不然，飞上去可就晚喽~

　　尝试不同的拍摄角度：我们可以看到别人的航拍作品，有着完美的角度和捕捉轨迹，但是在我们形成自己的拍摄风格前，一定要大量的练习并总结经验教训。

　　用无人机进行动态拍摄：比如运动类广告，要知道，我们可以随意调整无人机的高度和速度（当然要在无人机的性能范围内），让无人机高速移动到所需位置去捕捉现场任意角度的画面。嗯，无人机非常适合干这个！

　　悬停拍摄：终于可以飞起来，是不是就一定要飞来飞去呢？不，要记住，即使无人机可以随处飞，也要考虑自己作品或故事的需求。如果你的故事需要一个相对来说静止的广阔的视角或空间，你可以将无人机悬停拍摄。

　　从其他电影中汲取灵感：在我们最初开始航拍时，有可能不知道如何把握角度或者拍摄最好的镜头，这个时候，我们可以从一些好的电影或作品中学习。目前已经有非常多可供我们学习的航拍作品了（当然，有些好的作品是用直升机拍的，而不是无人机），我们要大量观看航拍作品并做拍摄角度记录。

　　分析航拍镜头：不管是任何拍摄形式，我们都要分析镜头语言，因为不管再漂亮的画面，如果所拍摄的镜头不能为影片叙事服务，那都是没用的。

　　无人机拍照方法

　　1、寻找前景

　　寻找合适的景物作为前景有几个好处：①烘托拍摄氛围；②借助前景的变化，让镜头看起来更加动感，有节奏。

　　2、循序渐进

　　航拍这类镜头前，首先需要提前确定焦点，其次是合适的构图。一切准备完毕，后面主要靠飞手飞出这个画面了。

　　3、对冲镜头

　　“对冲镜头”可以表达被摄物体的速度与冲力。顾名思义，对冲，是指飞行器和运动主体同时加速，相向飞行。穿越汽车、自行车、快艇等等，这样的拍摄最大的难度在于飞手如何判断飞行器与拍摄主体的距离，以及气流的影响。

　　4、拍出镜头速度感

　　一般的多轴飞行器最高速度在45km/h，如果我们用多轴拍摄追车，结果会很惨。一方面如果汽车加速，飞行器追不上；另一方面，如果汽车减速，又拍不出来真实感。我们通常的做法有两种。一是贴地飞行，这是为了通过地面增加前景的变化速度，提升感官的速度感。二是使用中、长焦镜头，可以放大局部，同时拍摄到的前景速度更快。

　　5、根据景别调整速度

　　大景别的航拍需要飞行器以较快的速度飞行。大景别的航拍由于没有前景物体，画面中远处的建筑或是山川与飞行器距离又比较远，所以飞行器慢速飞行时，很难看出画面中的景象在发生相对运动。慢速航拍这类的镜头，效果看起来更像一张照片。只有当飞行器快速飞行时，才能在一个短暂的航拍镜头中让观众看到这是一个运动画面。

　　小景别的航拍与大景别相反。在小景别航拍中，被拍摄物体在画面中的比重较大，过快的速度会让云台手很难把被拍摄物体保持在画面中的理想的位置上。简单说就是，飞机飞太快了，云台手很难跟上要拍的对象。

　　通常使用的方式是，飞行器以较快的速度接近被拍摄物体；快接近被拍摄物体时飞行器减速，确保云台手能够跟住被拍摄物体。虽然在整个过程中，飞行器有一个减速的过程，但是由于减速的时间发生在飞行器与被拍摄物体较近的位置，此时被拍摄物体在画面中比重较大，在画面中的相对运动更为明显。所以实际看起来，观众并不会察觉到飞行器实际减速了。

　　6、逆光画面

　　逆光拍摄，往往能达到不一样的感官效果。航拍逆光画面需要把飞机藏进被拍摄物体的阴影中，这样做能让被拍摄物体在阳光的映衬下，泛出轮廓光。不过此时时间的选择，是拍摄是否成功的重要因素，如果想拍摄到明、暗细节都有的保留的画面。日出和日落前后的30分钟，是最佳的时间。

　　7、提高素材利用率

　　电影或广告拍摄中，航拍画面的起幅和落幅很重要。为了提升航拍素材利用率，在大景别的航拍中，航拍起幅画面要有3秒的平稳停顿时间，此时飞行器与云台均保持不动；拍摄过程中，飞行器的行进、云台方向的移动，都需要尽可能的平稳、匀速；落幅画面和起幅一样，通用需要3秒钟的平稳停顿。平稳的无抖动的素材，在影视后期制作中更容易被利用。

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