农业四旋翼飞行器滑膜算法的研究

方雅仟?马静?邹治风?齐明洋

摘 要：农业四旋翼飞行器是一种能够垂直起降的多旋翼飞行器，它十分适合农作物侦查，避障，航拍，药物喷撒等任务。目前正在研发的动力喷雾机，农药喷雾机，在农业去虫害方面有着广泛的应用前景。但是对于四旋翼飞行器稳定性控制难度较大，难点在于飞行器具有欠驱动、耦合性强，非线性以及多变量等比较复杂的特性。正是这些复杂特性，才使四旋翼飞行器更具有研究价值。本文主要研究滑膜控制算法对四旋翼飞行器的控制，并在这种控制算法的基础之上加以改进，最后得到准确的控制效果。

关键词：四旋翼飞行器；滑膜控制算法；非线性；欠驱动；强耦合

四旋翼飞行器与其他飞行器相比，优势在于结构较为简单，只需要通过四个马达的转速即可实现控制，并且具有精确的可操控性能，可以在较小的空间内实现起飞、翻转、飞行和着陆等操作，从而飞至离目标更近的区域，并且不会发生碰撞。研究者对四旋翼飞行器控制算法的不断探索和改进，使飞行器的飞行技术更加全面，同时拥有更加广泛的发展前景。目前常用的飞控算法有PID算法，解耦控制、模糊控制等，飞控算法主要用于改善被控对象的飞行操纵性和系统稳定性。根据以上研究总结可知，与其他飞控算法相比，滑膜控制在性能水平设计、不确定性和工程应用方面具有独特的优势，而且滑膜控制器的设计流程比较清晰，控制性能良好且相对容易，因而适用于线性与非线性，确定性与不确定性等各类控制系统。因此本论文对这种算法在农业四旋翼飞行控制的应用方面进行设计与研究。

一、滑膜控制

1.滑膜控制简介

滑膜控制（又称滑膜变结构控制）是一种非线性控制方法，它和其他控制算法的区别在于可以在控制过程中改变控制器的结构。由于滑膜控制的不连续性，被控制系统可以在某种条件下依照设定好的轨迹做滑膜运动，如果系统状态进入到滑动膜态后可以获取到控制目标。滑膜算法的优点是对满足匹配系统参数系统的外界干扰和不确定性具有鲁棒性，该方法对非线性系统的控制具有很好的控制效果。

2.滑膜控制系统设计步骤

（1）需要确定滑模面。因为滑模面代表了系统的理想动态特性，滑模面确定滑动模态就会确定且有良好的品质。

（2）滑膜控制器设计。设计滑膜控制器，满足到达条件，从而使趋近运动在一定时间内到达滑模面，并且在这个过程中速度快，抖振小。

滑模控制量是由开关控制量和等效控制量组成。等效控制量主要是让s = 0。开关控制量是让系统到达滑模面，但是也会产生抖振。

二、滑膜控制的思想

滑模控制的本质在于将高阶系统分解为两个低阶子系统。假设原系统为m输入n阶系统，通过设计切换函数s，（x，t），i=1，2…m，将原系统分解为一个m阶的关于切换函数的方程，和一个n-m阶的关于原系统状态变量的滑动模态方程，并通过该降阶的滑动模态方程完全表征系统的动态特性。再通过控制律的设计，使得系统轨迹能够在有限时间内进入并维持在切换面上。为了阐明滑模变结构控制的思想，同时结合控制器设计的实际情况，考虑如下线性时不变单输入系统：

x =Ax+C，x∈Rn，u∈R

还要确定线性切换函数 S（x）=Cx，s∈R，还有变结构控制率u（x）；

并且u+（x）≠u-（x），要讓控制系统符合下列条件：首先切换面是滑动模态区，滑动模态逐渐稳定而且品质良好，与此同时符合滑动模态到达条件。

1.滑动模态存在条件

滑动模态存在条件由Utikin提出：

这个式子也被叫做局部到达条件。

2.滑动模态到达条件

系统的初始状态出现在状态空间的任意位置时，此刻要保证系统可以从初始位置到达切换面，从而进入滑动模态。

不等式形式的到达条件为：

ss <0

此时切换函数过原点并且可微，此时的到达条件称为广义滑膜。

李雅普诺夫函数到达条件：

遵循一般趋近律运动的到达条件：

s =-εsgn（s）-f（s），ε>0

其中， f（0）=0， 当 s≠0时sf（s）>0。

通过分析，滑膜控制中系统的运动类型有两种：第一种是到达运动，也叫趋近运动，第二种是滑膜运动，也叫滑动模态。对应的，滑膜控制器的设计分析也有两个方面：切换函数的选取和滑膜控制律的确定。切换函数的合理性能够使滑动模态具有较好的性能指标。选取滑膜控制率是为了保证系统从任意状态出发都可以到达切换面，从而形成滑动模态。

三、结语

本文给出了基于滑膜算法控制的四旋翼飞行器飞行控制系统的研究，介绍了滑模控制和模型参考滑膜控制算法的基本思想，同时也介绍了滑模控制系统的设计，但是研究的内容还不够深入，其中还有很多内容需要在以后的研究中改进和提高，滑模控制算法可以让农业四旋翼飞行器的应用价值更高，应用范围也更加广阔。

参考文献：

[1]刘金锟，孙富春.滑模变结构控制理论及其算法研究与进展[J].控制理论与应用，2007，24（3）：407-418.

[2]曾庆华.无人机控制技术与工程[M].国防工业出版社，2011.

作者简介：方雅仟，学历：在读本科，研究方向：智能控制与制造。

马静，邹治风；吉林农业科技学院电气工程及其自动化系在读学生。

*通讯作者：齐明洋，男，硕士，助教，吉林农业科技学院教师，研究方向：新能源与智能控制技术。

基金项目：本文为吉林省大学生创新创业资助项目（编号：2017035）。endprint