基于模糊自适应PID的无人直升机垂直起降控制律设计研究

王正峰，赵兀君

(海军驻景德镇地区航空军事代表室，江西 景德镇 333001)

基于模糊自适应PID的无人直升机垂直起降控制律设计研究

王正峰，赵兀君

(海军驻景德镇地区航空军事代表室，江西 景德镇 333001)

垂直起降功能对于无人直升机在复杂环境下完成各种任务有着至关重要的作用。由于无人直升机的非线性、各通道强耦合等特点，设计合理的控制方案和控制方法，成了必须要研究的问题。首先研究了无人直升机在垂直起降阶段的飞行方案设计，给出了高度指令和垂向速度指令；在此基础上，针对已有的并行控制律结构，设计了基于模糊自适应PID的垂直起降控制律；并对垂直起降过程进行了仿真，以验证控制器的效果。

无人直升机；控制律；垂直起降；模糊自适应

0 引言

无人直升机的起飞是指无人直升机脱离地面效应后，以垂直或斜爬升方式缓慢爬升到预定高度然后悬停的全过程。该过程中,根据大气条件、有无大型障碍物、起飞重量等起飞条件的不同,无人直升机通常采用垂直起飞和滑跑起飞两种起飞方式，如图1所示。通常，无人直升机在垂直离开地效范围后稍作悬停，即转入斜爬升前飞。在有风情况下，迎风起飞。这是因为，根据相对运动原理，相当于无人直升机以风速飞行，发动机剩余功率更多，爬升速度更大，起飞更安全[1]。

以上两种起飞方式中，垂直起降由于对场地的要求较低，不受高大障碍物影响，可在舰艇甲板完成，应用范围更加广泛，是本文研究的对象。

无人直升机着陆是起飞的逆过程，包括直升机减速、悬停、高度下降、落地的全过程。着陆过程中，无人直升机依旧受到来自降落环境和场地等方面的影响[2]。无人直升机着陆分为滑跑着陆和垂直着陆两种着陆方式，如图2所示。

与无人直升机的垂直起飞相同，无人直升机垂直降落同样可以避免高大障碍物的影响，降低对场地的要求，增大无人直升机的使用范围。无人直升机降落过程可分为悬停阶段、空中阶段和浮地阶段，着陆方法如图3所示，首先飞到悬停点，悬停点位于着陆点正上方，在悬停点进行位置控制，调整姿态，然后控制无人直升机慢慢降低高度，直到触地关闭发动机。

本文针对无人直升机垂直起降阶段，研究无人直升机垂直起降的方案设计和控制律设计。设计了模糊自适应PID控制器，来完成对已设计路径的跟踪，最后进行了仿真验证。

1 垂直起飞/着陆方案设计

在无人直升机垂直起降过程中，高度通道是主控通道，该阶段的主要目标是实现直升机快速准确地爬升/下降到指定位置。但是由于受地面效应、机动性能以及直升机自身非线性、耦合性严重等因素的影响，在垂直起飞和下降的过程中，垂向速度不宜过大，故要对垂直起飞/降落路径进行设计[3-5]。

1.1垂直起飞路径设计

从地面到指定高度，直升机先后经历了三个阶段：第一阶段加速上升，直至达到设计的最大速度；第二阶段匀速上升；第三阶段减速上升直至到达指定高度。加速过程的加速度为0.5m/s2，结束时垂向速度为1m/s，匀速阶段速度保持不变，减速阶段的加速度为-0.5m/s2，整个过程如图4所示。

三个阶段的数学表达式如下：

垂向速度表达式：

(1)

垂直高度表达式:

1.2垂直着陆路径设计

本次垂直着陆要求：60s之内从20m定点悬停高度降落至地面，垂向速度不超过1m/s。由于下降过程要求缓慢平滑，所以加速度选择较小，取0.5m/s2。

从特定高度降落至地面的整个过程可以分为三个阶段：第一阶段，负向加速阶段，无人直升机由悬停状态开始产生下降速度，并不断加大，直至到达设定值；第二阶段，无人直升机保持第一阶段的末速度，进行匀速下降；第三阶段，无人直升机进入近地区，下降速度开始减小，高度进行拉平，防止触底速度过大。图5为无人直升机自动垂直着陆的全过程。

三个阶段的数学表达式如下：

垂向速度表达式：

(3)

垂直高度表达式:

2 模糊自适应PID控制器

模糊自适应PID控制器为可调参PID控制器和模糊控制系统的结合。如图6所示。

工作原理：可调参PID控制器作为主要的控制器对控制对象进行控制，模糊控制器可以在线调节PID控制器的三个参数，系统的误差和误差变化率作为模糊控制器的输入，使得PID控制器具有在线调参的自适应能力，增加控制系统的控制效果和稳定性[6]。

PID控制器的形式为：

u(k)=kpe(k)+ki∑e(k)+kdec(k)。

式中，∑e(k)=e(k)+e(k-1)和ec(k)=e(k)-e(k-1)(k=0，1，2)分别为偏差与偏差变化，kp、ki及kd分别为比例、积分及微分参数。

比例、积分和微分参数具有调节系统性能的作用。比例系数kp的作用为调节系统的控制精度，太大容易引起超调，太小达不到控制精度，影响动静态特性；积分系数ki的作用为消除系统静态误差，太大导致积分饱和，太小导致静差无法消除；微分参数kd的作用为调整系统的动态性能，太小则系统动态性能差，太大时系统对干扰敏感，抗干扰能力变差。

综上，对PID控制系统进行调参时，必须注意系统的静态特性和动态特性。下面总结一下手动调参过程中的一般规律，这些规律也是我们制定模糊控制器控制规则的重要参考[7]。

1)偏差e(t)较大时，取较大的比例参数kp，较小的微分参数kd，较小的积分参数ki，这样可以增加控制精度，避免较大超调。

2)偏差e(t)及其变化率ec(t)中等大小时，取适中的比例参数kp，较小的微分参数kd，较小的积分参数ki，保证系统的动态性能。

3)偏差e(t)较小及其变化率ec(t)较小时，增大比例参数kp和积分参数ki，微分参数kd取大，提高动态特性。

4)偏差e(t)较小及其变化率ec(t)较大时，增大比例参数kp、积分参数ki，微分参数kd取中等大小，防止震荡。

模糊PID控制器为两个输入，三个输出，两个输入为偏差e(t)及偏差变化率ec(t)，三个输出为PID控制器三个参数kp、ki及kd的调整量Δkp、Δki、Δkd。根据PID参数调整方法和调整原则对模糊控制器的输出Δkp、Δki、Δkd进行模糊规则制定，模糊规则的制定为模糊控制器提供了控制规则，减少了手动PID调参的工作量，在对各通道进行模糊控制规则设计时，要根据各通道的控制特点进行设计，不但要提高高度通道的控制精度，更重要的是保证高度通道的稳定性，防止引起其他通道耦合。

3 控制律设计及仿真验证

3.1高度通道控制律设计及仿真验证

高度控制的精度直接影响纵向、横向、航向的控制性能，所以高度通道采取航向通道结构设计。如图7所示，E和EC分别为高度误差ΔH=H-Hg和垂向速度vh，输入指令为Hg。

由图8和图9响应曲线可见，设计的模糊自适应PID控制对无人直升机着陆阶段高度通道没有产生严重耦合作用，系统稳定性符合要求。

3.2纵向/横向通道控制律设计及仿真验证

纵向/横向通道控制要求无人直升机在垂直起飞着陆过程中，保持原有的姿态，在受到外界干扰的情况下，不发生侧滑，保持原有位置。横向/纵向通道增稳回路，采用模糊自适应PID控制对纵向通道进行控制，在制定横/纵方向的模糊PID控制规则时，充分借鉴非线性PID的设计思想，在浮地阶段以速度控制为主，空中阶段以位置控制为主，悬停阶段提高控制精度和抗干扰能力(图10-图14)。

3.3航向通道控制律设计

由图16响应曲线可见，航向通道在模糊自适应PID控制下，没有出现大的波动，说明航向通道的设计符合控制要求。

4 总结

本文针对某型无人直升机在垂直起降阶段所遇到的困难，首先设计了垂直起飞/着陆过程的飞行方案，并根据飞行方案进行了无人高度指令和垂向速度指令的设计，完成了制导设计；其次，对于无人直

升机垂直起飞和定点悬停阶段所需要满足的位置精度要求和响应速度要求，设计了模糊自适应PID控制器，在原本的控制律结构的基础上进行了改进；最后，分别对无人直升机垂直起降过程中的高度、纵向、横向和航向四个通道的控制律进行了完整的设计，并且进行了仿真验证。从仿真结果来看，所设计的控制律能够很好地完成对制导指令的跟踪，并且满足对稳定性的要求。

[1] 禹 科.小型无人直升机自主起降控制策略研究[D].杭州：浙江大学硕士学位论文，2012.

[2] 刘俊清.小型无人机飞行控制律设计技术研究[D].南京:南京航空航天学硕士学位论文,2009.

[3] 任倩倩.无人直升机建模与控制方法研究[D].大连：大连理工大学硕士学位论文,2010.

[4] 吴友谦.无人机最优自主起降轨迹规划与实现[D].广州：华南理工大学硕士学位论文,2011.

[5] 蒋传庆.基于耦合的小型无人直升机频域建模[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学硕士学位论文,2010.

[6] 张兆忠.基于FXLMS算法的前馈ANC系统设计研究[D].西安：西安电子科技大学硕士学位论文,2011.

[7] 郑浩鑫.模糊PID数字控制器系统的仿真与设计[J].机械工程与自动化,2009(2):121-123.

DesignofVerticalTake-offandLandingUnmannedHelicopterbasedonFuzzyAdaptivePIDControlLaw

WANG Zhengfeng, ZHAO Wujun

(Navy Aviation Military Representative Office in Jingdezhen Region, Jingdezhen 333001, China)

The capabilities of Vertical Take-Off and Landing (VTOL) played a very important role on unmanned helicopters to complete a variety of tasks in a complex environment, and it became necessary to research issues of designing control programs and control methods due to characteristics of nonlinearity and the strong coupling of each channel of unmanned helicopters. This paper studied the flight path design of unmanned helicopter in vertical take-off and landing phase, the height and vertical velocity instructions are given. Where after on this basis, in view of the existing parallel structure, the control law was designed based on fuzzy adaptive PID vertical take-off and landing control law. And then we processed the simulation of the vertical take-off and landing in order to verify the controller effect.

unmanned helicopter; control law ; vertical taking off and landing; fuzzy self-adaptation

2017-05-05

王正峰(1984-)，男，山西运城人，硕士，助工，海军少校军衔，主要研究方向：无人驾驶直升机。

1673-1220(2017)04-018-05

V249.12

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