基于可变阈值的微型无人机高度控制方法研究.pdf

收稿日期:基金项目:教育部高等学校科学研究发展中心专项课题()台州市 年科技计划项目()台州科技职业学院科研项目()作者简介:徐文涛()男 湖北广水人 讲师 硕士 :浙江交通职业技术学院学报 第 卷第 期 年 月 基于可变阈值的微型无人机高度控制方法研究徐文涛 夏文明 杨子昂(台州科技职业学院 浙江 台州 台州正见塑模有限公司 浙江 台州)摘 要:针对微型四旋翼无人机的高度控制 提出了一种基于可变阈值的事件驱动控制方法 该方法可根据信号误差的最大估计值自动调整阈值 以大幅降低事件的触发数量 先对无人机进行状态空间建模 并设计了基于可变阈值的控制器 最后 通过 平台仿真 对恒定周期法(方法)、恒定阈值法(方法)、可变阈值法(方法)进行了比较 结果显示 基于可变阈值的方法 效果最好 其事件触发量减少了 整体绝对误差 降低了 同时保证了控制器的性能关键词:可变阈值 事件驱动 无人机 高度控制 仿真中图分类号:文献标识码:/文章编号:()引 言无人平台在运动过程中的环境信息感知是实现其运动控制和后续开展作业的前提条件 其感知精度和效率直接影响后续作业质量 微型无人机与其他航空器平台相比 具有成本低、能耗低、机动性高等优点 使其广泛应用于各种场景 如:集群协同、路线规划、工程教育等 微型无人机受限体积和载重量 一般携带的电池容量有限 所以提高控制系统的自主性、降低噪声信号的干扰 对提高电池续航至关重要基于事件的控制技术作为周期性采样方法的替代 可以有效降低采样和控制信号的更新频率 传统基于事件驱动的控制策略会受到传感器噪声的干扰 从而增加检测到的事件数量(或误报)为尽量减少噪声对控制系统的影响 需要设计一种基于可变阈值的事件驱动控制器针对微型无人机的高度控制 为尽量减少噪声对控制系统的影响设计了一种基于可变阈值的事件驱动控制器 并通过 仿真 对恒定周期法(方法)、恒定阈值法(方法)、可变阈值法(方法)三种控制方法进行了比较研究 无人机的状态空间建模和控制架构 无人机的技术参数本文使用了开源的微型四旋翼无人机平台作为研究对象 如图 所示 其体积为 起飞重量仅为 图 显示为无人机建模所建立的坐标系 大地坐标系 用字母“”表示 而机体坐标系 用字母“”表示图 微型四旋翼无人机平台无人机的技术参数:质量 为 臂长 为 旋翼半径 为 轴转动惯量 为 /轴转动惯量 为/轴转动惯量 为 /推力常数 为 扭矩常数 为 状态空间建模基于牛顿 欧拉公式()对通用四旋翼无人机进行状态空间建模 与无人机的 个自由度相关的 个向量 及对应的速度向量共同组成了状态向量 如表 所示表 无人机的状态向量向量分量描述 坐标 坐标 坐标滚动旋转角俯仰角偏航角 轴线速度 轴线速度 轴线速度 轴角速度 轴角速度 轴角速度 为简化建模 可认为无人机是一个刚性的对称体 且 个旋转翼物理特性均相同 为确定无人机的线性参数 应用牛顿第二定律()根据科里奥利方程()计算速度的导数 如式()所示 其中 为无人机的重心/为无人机重心相对于坐标原点的相对运动 考虑到在水平静止状态下 滚动旋转角和俯仰角均为零 通过力的平衡可确定无人机线速度的导数 如式()所示 大地坐标系和机体坐标系之间的变换 可由偏航角()、俯仰角()和滚动旋转角()进行旋转得到 位置变量的导数可通过使用变换矩阵 将无人机的线速度投影到大地坐标系计算 如式()所示每个旋转翼产生的推力 由式()确定 其中 是推力系数 是每个旋转翼的转速 式()对应的是 个旋转翼产生的总推力推力系数由式()表达 其取决于无量纲常数 空气密度 和旋翼半径 使用动量平衡 确定状态向量的角度分量 应用角动量定理并引入科里奥利方程 可得应用于全局坐标系的方程如式()所示 其中 代表围绕重心的角动量 如果考虑到无人机的局部坐标系 则动量平衡可以用式()表示 其中 代表惯性矩阵 在对称性假设下 可以如式()所示 消除式()中的向量/可得 如式()所示最后状态方程由矢量/与 的导数之间的关系确定 如式()所示由旋转翼产生的总力矩 如式()所示浙江交通职业技术学院学报 其中 代表每个电机到重心的距离 矢量 代表每个电机引起的力矩 电机所引起的总力矩如式()所示已知按式()计算的各旋转翼产生的推力则各旋转翼推力产生的力矩如式()所示以机体坐标系为参考的力矩计算如式()所示转矩系数 根据式()确定 其中 为无量纲系数、为空气密度 旋翼半径为 基于事件驱动的控制策略 事件驱动控制的基本原理事件驱动控制是一种替代定时采样的方法 已被证明能有效减少采样数量和控制信号的更新 同时可保证与传统控制器相似的性能水平 近年来 事件驱动控制得到了广泛的应用 在这些系统中 控制、计算和通信之间存在着强耦合 策略的设计必须以整体的方式进行 通常 在事件驱动的采样系统中 会根据误差信号和阈值定义触发函数()为系统在时间 的状态 误差定义为()()()其中 代表最后一个采样瞬间 这些信号可被递归地定义为式():()()()式中 ()()为触发函数 基于可变阈值的事件驱动控制器为了降低控制器的平均采样频率 提出一种基于可变阈值的事件驱动控制器设计 其中为状态变量、定义了一个触发函数 如果将这些变量的通用表示定义为 则变量 基于事件的采样误差为 变量的采样时间为 则触发函数如式()所示()()()()()()其中 和 是常量参数()是根据信号的噪声水平进行调整的参数 是变量 的参考信号 在这种情况下 调整项由三项组成:()由 给出的常数项 它将决定相对于参照物的最大误差()由 给出的常数项 是由相对于参照物的距离加权得到的常数项()由()得到的第 项 它允许在采样时有噪声的存在 其值基于对噪声信号的估计值()定义如式()所示其中 为被测量的变量 为通过预定义长度的滑动窗口计算的信号平均值参数()对于避免由于噪声造成的误触发至关重要 它是由相对于长度为 (以下各式中的)个样本的滑动窗口平均值的最大误差来估计的实现的 控制器 其微分项中包含低通滤波器 其传递函数如式()所示在文献 中 给出了一种基于每个采样时刻 的事件驱动控制器的实现 如式 其中、和 分别是比例、积分和微分项 为自上一个事件以来经过的时间 是微分项滤波器的特征参数 取 这使得控制器保持在足够性能的水平 且减少控制信号的更新次数第 期徐文涛 夏文明 杨子昂:基于可变阈值的微型无人机高度控制方法研究 结果讨论本文研究的重点是对无人机的飞行高度进行控制 为了进行比较 我们对三种控制方法进行了比较研究 其中 参数为 /、/和 /且保持不变 方法:恒定周期 控制器使用梯形近似法进行离散化 恒定周期为 方法:恒定阈值 设置了一个边界恒定为 的阈值作为事件触发器 方法:可变阈值 考虑式()中描述的触发条件 取 噪声通过带宽有限的白噪声信号进行模拟 仿真信号的功率谱密度为 频率为 无人机的飞行轨迹如图 所示 使无人机飞行在 的高度 并在该高度画出边长为 的正方形轨迹 在正方形的其中两条边 轴的设定值减少 为 以观察无人机的表现从图 可以看出 恒定周期的离散 控制(方法)和基于事件的驱动控制(方法、方法)这两种实现方式之间的差异非常显著 最大的行为差异出现在起飞时 在基于事件的驱动控制下 相对于离散 控制出现了明显的超调 三个控制器约在 后开始快速收敛 尽管基于事件的控制器在其后出现了一些纹波 但在可接受范围内图 无人机的飞行轨迹图 无人机的高度和旋转翼的角速度 为了分析所设计的控制器性能 比较了以下指标:采样的样本数或事件触发量(对于方法、为事件触发量)、整体绝对误差()、时间加权整体绝对误差()和机械功率 (此处不考虑控制器、传感器的功率消耗)如表 所示 由表 可知 基于事件的控制方法、大大减少了信息数量 相对于方法 方法 实现了 的信息量减少 方法 则达到了 的减少 且方法 使整体绝对误差 降低了 方法 和方法 对比 在控制过程中对被控对象的控制错误 (误差 时间)的积分值在更新方式、控制逻辑的判断条件、控制命令的输出等方面都存在较大差异 在 和 这两个性能指标上 方法 和方法 的表现都受到系统动态响应和控制系统交互作用的影响表 控制结果比较项目方法 方法 方法 方法 和方法 比较 事件触发量降低了 整体绝对误差 和时间加权整体绝对误差 分别降低了 和 无人机的机械功率 主要指包括电机输出功率在内的所有机械驱动力的功率总和 机械功率 越大 电机所需的电能就越多 无人机的电池续航能力就会相应减少 方法、的机械功率相比方法 分别增大了 、但是方法、相比方法 大幅减少了事件触发量 可以大浙江交通职业技术学院学报幅减少控制器及传感器的功率消耗 从而减少整机功率消耗方法 (可变阈值)和方法 (恒定阈值)的事件触发量比较 如图 所示图 无人机起飞的初始阶段的事件发生量 无人机起飞的初始阶段 可以清楚地看到采用控制方法 阈值根据噪声自动进行自适应调整大量减少了事件触发 如图 所示 无人机高度进入稳定期的事件触发情况 如图 所示 由于系统的速度太快 无法直观地观察细节 图 和图 对时间轴进行了放大处理三种控制方法下 控制周期表现如下:方法 的周期恒定为 方法 达到的最大周期是 方法 最大周期达到了 表现最优此处 方法 可变阈值事件驱动控制的控制周期 是不固定的 而是由控制系统的状态而动态调整的 这种动态调整的方式可以提供更高的控制效率和系统动态响应 此控制周期 和 误差统计所用的 是不同的图 无人机起飞初始阶段的事件触发量 图 无人机高度进入稳定期的事件触发量 结 语()方法 对比方法:事件触发数量大幅减少了 整体绝对误差 降低了 时间加权整体绝对误差 增加了 机械功率增加了 ()方法 对比方法:事件触发数量减少了 但 和 两项指标均出现了较大恶化 可见 基于可变阈值的事件驱动控制器 能有效地减少信号采样数量、控制信号更新 该方法可大幅降低控制系统的资源开销 从而有效提升系统的自主控制水平和续航时间参考文献:段鹏飞 李元昊 郭绍义 等 无人船航行环境信息感知技术综述 浙江交通职业技术学院学报 ():王祥科 刘志宏 丛一睿 等 小型固定翼无人机集群综述和未来发展 航空学报 ():第 期徐文涛 夏文明 杨子昂:基于可变阈值的微型无人机高度控制方法研究 杨永刚 武楚健 杨正全 基于改进蚁群算法的无人机三维航路规划 航空计算技术 ():翟磊 基于 教学理念的无人机制作与飞行实践训练的课例探索与研究 电子测试 ():杨飞生 汪璟 潘泉 基于事件触发机制的网络控制研究综述 控制与决策 ():张毅 方国伟 杨秀霞 等 基于事件触发的多机编队目标跟踪控制 北京航空航天大学学报 ():():侯敏杰 吴锋 推进力学和热力学 北京:航空工业出版社 ():():():():()()():浙江交通职业技术学院学报