一种四旋翼无人机前飞模态的控制器参数整定方法及系统

技术领域

本发明涉及飞行器技术领域，尤其涉及一种四旋翼无人机前飞模态的控制器参数整定方法及系统。

背景技术

四旋翼无人机是一个四通道输入、六自由度的欠驱动系统，其飞行控制器大多采用Pixhawk产品，其原生固件中采用串级PID算法来实现对多旋翼机姿态和位置的稳定精准控制，通过对姿态角运动信息(角度和角速度)或飞行位置运动信息(位置和速度)的偏差作比例积分微分调节，改善控制系统的稳态和动态特性，进而使其达到良好的控制效果，如快速响应、无超调、抗扰动等。

工程应用上，现如今绝大多数设计者在解决实际四旋翼无人机的控制问题时，都直接采取“手动调节+实飞验证”这样不断实验尝试迭代的方式，以获得最终的PID参数。甚至绝大多数提及四旋翼无人机PID控制的文献中，均未涉及参数整定部分，在推导出数学模型后便直接给出PID的具体参数，使得控制效果未能达到最优。

此外，国内外传统研究四旋翼无人机动力学建模时，大多是基于悬停飞行条件假设，而在前飞时其桨叶动力学和机身动力学均发生了一定的变化，故无法适用于前飞模态下的控制器参数设计。随着四旋翼无人机在作战打击和竞速比赛等民用和军事领域的任务扩大，对其前飞模态中控制系统的稳定性、快速性等均提出了更高的要求，然而目前国内外关于四旋翼无人机在前飞模态的模型尚未建立系统的研究，急需形成一套完备精确的四旋翼无人机前飞建模方法和实验体系。

因此，现有的基于悬停模态和手动调参的控制器设计方法存在着一定的技术缺陷，无法满足应用场景广泛的高速前飞过程的控制性能要求。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种四旋翼无人机前飞模态的控制器参数整定方法及系统。

第一方面，本发明提供一种四旋翼无人机前飞模态的控制器参数整定方法，其包括：

S1:对四旋翼无人机在前飞模态下进行频域辨识，得到四旋翼无人机的前飞动力学模型；

S2:基于前飞动力学模型，利用极点配置解析法对姿态控制串级PID控制器的参数进行整定。

第二方面，本发明提供一种四旋翼无人机前飞模态的控制器参数整定系统，其包括：

模型建立模块:其对四旋翼无人机在前飞模态下进行频域辨识，得到四旋翼无人机的前飞动力学模型；

参数整定模块:其基于前飞动力学模型，利用极点配置解析法对姿态控制串级PID控制器的参数进行整定。

本发明一种四旋翼无人机在前飞模态下的控制器参数整定方法及系统所具有的有益效果包括：

(1)本发明提供的四旋翼无人机前飞模态的控制器参数整定方法，能够建立较为精确的四旋翼无人机前飞模态的动力学模型；

(2)本发明提供的四旋翼无人机前飞模态的控制器参数整定方法，基于频域分析的极点配置解析法能够从理论上实现对四旋翼无人机姿态控制串级PID控制器的参数设计，同时结合实际使用要求及串级PID控制器常规特性，为参数设计提出合理设计指标；

(3)本发明提供的四旋翼无人机前飞模态的控制器参数整定方法，比手动调参具有明显的优势，在时域响应方面，控制指令跟踪平滑、无静差和振荡现象，且响应速度较快，上升时间约0.3s；在频域响应方面，系统收敛稳定，开环幅值裕度Gm和相位裕度Pm足够，相对稳定性较强，具有一定的鲁棒性能。

附图说明

图1示出本发明一种四旋翼无人机前飞模态的控制器参数整定方法的流程示意图；

图2示出本发明一种四旋翼无人机前飞模态的控制器参数整定系统的结构示意图；

图3a)示出本发明实验例四旋翼无人机前飞模态的扫频信号输入数据图；

图3b)示出本发明实验例四旋翼无人机结构示意图；

图3c)示出本发明实验例四旋翼无人机前飞模态的主要数据记录示意图；

图3d)示出本发明实验例四旋翼无人机前飞模态的辨识结果拟合数据图；

图3e)示出本发明实验例四旋翼无人机前飞模态的时域验证数据图；

图4示出本发明实验例四旋翼无人机前飞模态的滚转通道15°滚转角激励下的阶跃响应曲线图；

图5示出本发明实验例四旋翼无人机前飞模态的滚转通道开环bode图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

图1示出了本发明一种四旋翼无人机前飞模态的控制器参数整定方法的流程示意图。该方法可以包括：

S1:对四旋翼无人机在前飞模态下进行频域辨识，得到四旋翼无人机的前飞动力学模型。

在本发明的一个优选实施方式中，S1可以包括以下子步骤：

S1-1：在四旋翼无人机在前飞模态中，控制四旋翼无人机达到期望前飞速度。

S1-2：在期望前飞速度时，利用预设扫频信号分别对四旋翼无人机的滚转、俯仰、偏航和垂向通道进行频域辨识。

在本发明中，在四旋翼无人机达到预期的前飞状态后，即处于稳定的期望前飞速度时，利用预设扫频信号分别对滚转、俯仰、偏航和垂向通道进行充分激励，并记录指令输入(表征期望欧拉角的遥控器输入和预设扫频信号输入)、串级PID控制器输出(滚转、俯仰、偏航和垂向通道的控制指令、[δ

在本发明的一个优选实施方式中，预设扫频信号通过式一表示：

其中，R

优选地，A为0～0.3491rad，即姿态角输入的大小会根据前飞速度条件的不同而调整到0～20°之间，考虑到指令响应的充分性和四旋翼无人机机动后通讯距离的限制，T

在本发明中，由于四旋翼无人机的穿越频率在10～20rad/s之间，因此优选ω

在本发明中，由于系统辨识原理和四旋翼无人机在频域辨识过程中的实际情况，C

在本发明中，通过对四旋翼无人机进行频域辨识，对上述记录的数据进行输入输出频域拟合，得到四旋翼无人机前飞动力学模型。其中，四旋翼无人机在前飞模态下，其动力学模型是多输入多输出系统，可以解耦为纵向模型和侧向模型。其中纵向模型中俯仰轴和高度轴是耦合关系，侧向模型中滚转轴和偏航轴是耦合关系，即式三和式四所示：

纵向模型：

侧向模型：

上两式中，u表示x轴的线速度，w表示z轴的线速度，v表示y轴的线速度，q表示俯仰角速率，p表示滚转角速率，r表示偏航角速率，θ表示俯仰角，

由于四旋翼无人机的飞行姿态是由串级PID控制器通过调节4个电机的转速来实现，为了增强四旋翼无人机飞行姿态的稳定性和可靠性，对串级PID控制器进行优化是必要的。为此本发明提出了利用极点配置解析法对串级PID控制的参数进行整定，从而使控制系统输出达到最优。

在本发明中，为了利用极点配置解析法快速分析串级PID控制器的参数，在本发明的一个优选实施方式中，S1还包括：将四旋翼无人机的前飞动力学模型进行解耦，得到滚转、俯仰、偏航和垂向通道的开环传递函数。

也就是，对式三和式四进行解耦，根据状态空间和传递函数之间的变换关系，将前飞动力学模型解耦成以下4个单通道的SISO线性模型，也就是滚转、俯仰、偏航和垂向通道的开环传递函数，即式二：

其中，G

经过预设扫频信号的激励，可以得到较为精确的四旋翼无人机的前飞动力学模型。

本发明一种四旋翼无人机前飞模态的控制器参数整定方法还包括：

S2:基于前飞动力学模型，利用极点配置解析法对串级PID控制器的参数进行整定。

在本发明的一个优选实施方式中，S2可以包括以下子步骤：

S2-1:根据四旋翼无人机的实际情况和串级PID控制器的时频特性，确定期望的四旋翼无人机的闭环传递函数，以满足设计指标。

在本发明中，以滚转通道为例，串级PID控制器的传递函数如下：

其中，K

其中，A

S2-2：基于串级PID控制器的内外环和设计指标，确定闭环传递函数中的极点，利用极点配置解析法对串级PID控制器的参数进行整定。

从上述式六可以看出，闭环系统共有三个零点，其中两个零点由内环PID参数决定，另一个零点为

对消后，系统闭环传递函数的极点分布为一个低频主导极点和一对高频共轭极点，综合考虑期望的时域、频域特性，本发明方案选择将最终的闭环系统极点配置为一个低频的主导极点和一对高频共轭极点，即校正后的闭环传递函数变为：

根据闭环传递函数特征方程(即分母)的对应系数相等原则，便可得到待设计PID参数与期望设计指标之间的解析表达式，即下式所示：

其中，ω为高频共轭极点的无阻尼自然频率，ζ为非主导二阶振荡环节的阻尼比，τ

因此，可以看出，串级PID控制器的参数(K

同理，姿态控制的其他两个通道，即俯仰和偏航，由于线性化后的模型与滚转通道近似，因而也可以根据上述步骤来设计整定，在此不做赘述。

在本发明的一个优选实施方式中，对时间常数τ

(1)时间常数τ

(2)阻尼比ζ主要决定二阶环节的振荡特性。当ζ为0.7时，频率响应的幅值特性最平缓，因此ζ优选为0.7。

(3)无阻尼自然频率ω影响系统的增益和响应速度。当时间常数τ

优选地，本发明四旋翼无人机前飞模态的控制器参数整定方法还可以包括：

S3：将整定后的串级PID控制器进行时域特性分析和参数优化迭代。

在本发明中，将串级PID控制器的参数进行整定后，分析系统的时域特性和频域特性，然后经过多次整定迭代后最终确定较优的参数。

图2为本发明提供的一种四旋翼无人机前飞模态的控制器参数整定系统的示意图，该系统可以适用于能够进行数据处理的终端或服务器上，如云端或本地的服务器上。该系统主要包括：

模型建立模块201:其对四旋翼无人机在前飞模态下进行频域辨识，得到四旋翼无人机的前飞动力学模型；

参数整定模块202:其基于前飞动力学模型，利用极点配置解析法对姿态控制串级PID控制器的参数进行整定。

本发明提供的四旋翼无人机前飞模态的控制器参数整定系统，可用于执行上述描述的四旋翼无人机前飞模态的控制器参数整定方法，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。

优选地，本发明一种四旋翼无人机前飞模态的控制器参数整定系统中模型建立模块201、参数整定模块202可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中或在两者的组合中。

软件模块可驻留在RAM存储器、快闪存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可装卸盘、CD-ROM或此项技术中已知的任何其它形式的存储介质中。示范性存储介质耦合到处理器，使得处理器可从存储介质读取信息和向存储介质写入信息。

处理器可以是中央处理单元(英文：Central Processing Unit，简称：CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(英文：Digital Signal Processor，简称：DSP)、专用集成电路(英文：Application Specific Integrated Circuit，简称：ASIC)、现场可编程门阵列(英文：Field Programmable Gate Array，简称：FPGA)或其它可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件或其任何组合等。通用处理器可以是微处理器，但在替代方案中，处理器可以是任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可实施为计算装置的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、结合DSP核心的一个或一个以上微处理器或任何其它此类配置。在替代方案中，存储介质可与处理器成一体式。处理器和存储介质可驻留在ASIC中。ASIC可驻留在用户终端中。在替代方案中，处理器和存储介质可作为离散组件驻留在用户终端中。

在本发明的一个实施方式中，一种四旋翼无人机实时仿真系统，该实时仿真系统执行本发明描述的四旋翼无人机前飞模态的控制器参数整定方法。

在本发明的一个实施方式中，一种计算机可读存储介质，其存储有计算机指令，计算机指令被操作以执行本发明描述的四旋翼无人机前飞模态的控制器参数整定方法。

在本发明的一个实施方式中，一种程序产品，程序产品包括计算机程序，计算机程序存储在可读存储介质中，至少一个处理器可以从可读存储介质读取计算机程序，至少一个处理器执行计算机程序使执行本发明描述的四旋翼无人机前飞模态的控制器参数整定方法。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

实验例

以四旋翼无人机为例，其上搭载Pixhawk Cub 2.0飞控，针对前飞速度10m/s的工况开展频域辨识实验，实验流程结果数据如图3(a～d)所示；图3a)为扫频信号输入数据图；图3b)为四旋翼无人机结构示意图；图3c)为主要数据记录示意图；图3d)为辨识结果拟合数据图；图3e)为时域验证数据图。

其中，预设扫频信号通过式一表示：

其中，R

利用CIFER软件处理输入输出数据，得到四旋翼无人机前飞动力学模型，即式三和式四所示：

纵向模型：

侧向模型：

对式三和式四进行解耦，得到滚转、俯仰、偏航和垂向通道的开环传递函数，即式二：

10m/s前飞速度的频域辨识实验的模型测量结果，如表1所示，包括气动导数和控制导数。从表1中可以看出，各模型参数的相对不确定性CR％小于20％，相对不灵敏度Insen％小于10％，表明模型辨识的准确性。具体结果见表1。

表1 10m/s前飞动力学模型的参数辨识结果

以滚转通道为例，根据G

选择将最终的闭环系统极点配置为一个低频的主导极点和一对高频共轭极点，即校正后的闭环传递函数变为：

从而得到待设计PID参数与期望设计指标之间的解析表达式，即下式所示：

其中，ω为高频共轭极点的无阻尼自然频率，选为5rad/s，ζ＝0.7，τ

最终得到的滚转通道的串级PID控制器的四个参数K

同理可以得到俯仰通道、偏航通道的串级PID控制器的四个参数，具体结果见表2。

表2本发明串级PID控制器参数整定结果与实验手动调参结果

另外，基于MATLAB/Simulink环境，分别采用以上两组不同方法得到的参数来进行控制系统的时域和频域仿真分析，选择定步长的4阶龙格-库塔法作为数值迭代算法，步长选为0.001s。

以滚转通道为例，如图4所示为两组参数(本发明K

这是由于，基于本发明整定参数的响应曲线等效于一个时间常数恰好为t

同时，为了更好的分析控制系统在频域下的稳定性能，本发明绘制了其开环bode图，如图5所示为两组参数(本发明K

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。