气动参数补偿状态观测器在无人机控制技术中的应用
马晓婧，刘向辰
（兰州石化职业技术大学汽车工程学院，甘肃 兰州 730060）
农林植保四旋翼无人机在我国目前还是起步阶段，近5年以来，随着农业智能化，飞行器民用化的普及以及无人技术的产业化推进，四旋翼无人机在农业和林业领域中的应用已经日渐明显。
在农林、林业等野外广阔作业环境中，四旋翼无人机具有飞行盘旋高度低、空中悬停滞留时间长、随时随地起飞、随时随地降落、无需专用机场、远程操控，有效降低人工劳作量。且四旋翼下方产生的气流可以提升农药雾气对树木、植物和农作物喷洒的穿透力和喷洒的面积，具有作物和植物防害、防疫效果好等诸多优点，且相比人工作业，农药喷洒量保守估计可以降低50%，用水量可以降低85%以上，节约了成本。其次，四旋翼无人机采用电力驱动，不会污染环境，对农林、林业环境较为友好。
虽然农林植保四旋翼无人机在户外作业时，有诸多优点，但野外环境气候多变，天气异常，未知扰动对飞行安全影响较大，若无视外部干扰，将会对无人机的飞行安全和植保工作的正常进行造成较严重的干扰。文献[1]将模糊自适应思想应用于无人机PI控制中，使得植保无人机在可变负载的工况下，依然能够保证无人机的稳定飞行，保持无人机在植保作业中时刻维持机体与作物之间的最优距离。针对无人机在飞行过程中，机体自身重量、偏转不稳定的问题，文献[4]提出基于自抗扰控制器的负载波动控制策略，该方法通过自抗扰控制器将飞行过程中收到的波动干扰反馈至输入侧进行抵消和降低，提高其稳定性。
在研究了以上文献的基础上，本文研究了一种气动参数补偿状态观测器用于克服四旋翼无人机在野外农林植保工作中可能遇到的未知干扰。首先，建立了在工况环境下四旋翼无人机动力学简化数学模型，为了提高飞行稳定性，采用姿态环、位置环的双环控制形式。针对风向变化、气流扰动等诸多因素的干扰，采用参数补偿观测器对干扰量进行精准观测和补偿，弥补经典状态观测器对快速变化、非线性、高阶次扰动参数补偿性能不稳定的问题。
为了准确建立四旋翼无人机的动力学简化数学模型，需要建立两个坐标系，即飞行导航坐标系O1(X1,Y1,Z1)和四旋翼无人机机体坐标系O2(X2,Y2,Z2)。
2.1 无人机飞行受力分析
四旋翼无人机在农林植保飞行过程中受力情况，主要来自以下4个方面：
（1）无人机刚性活动受力；
（2）旋转机翼对无人机受力；
（3）上升气流对无人机的托力；
（4）空气阻力；
（5）未知干扰作用力。
根据对以上5中作用力的分析，便可以清晰得出四旋翼无人机的动力学简化数学模型（图1）。
2.2 动力学数学模型建立
通过分析图1，可以得到四旋翼无人机动力学简化数学模型1如公式（1）所示。
图1 四旋翼无人机动力学简化数学模型
四旋翼无人机动力学简化数学模型2如公式（2）所示。
式中，ω1、ω2、ω3、ω4是无人机4个旋翼的旋转角速度；
Gx、Gy、Gz为四旋翼无人机在机体坐标系O2(X2,Y2,Z2)的转动惯量；
旋转角度ψ为无人机的飞行方向角度、旋转角度ξ无人机的飞行翻滚角度、旋转角度η无人机的飞行水平俯仰角度；
参数e为无人机的旋翼水平拉伸力矩系数；
参数f为无人机的旋翼水平扭矩系数；
参数g为无人机半轴长度。
本文所采用的无人机控制策略为位置控制和姿态控制所组成的双环控制，其中位置控制为外环控制，姿态控制为内环控制。
双闭环控制结构原理，如图2所示。置控制的输出为参考给定位置力矩Ta、无人机飞行参考给定翻滚角度aξ、无人机飞行参考给定水平俯仰角度aη；
内环姿态控制的输入为无人机参考给定飞行方向角度aψ；
内环姿态控制的输出为参考给定姿态力矩ta。
图2 位置环、姿态环无人机双闭环控制结构原理
经典状态观测器一般会采用PID参数补偿、传递函数运算等模块，使得观测准确度高、误差收敛迅速等诸多优点，但经典状态观测器的观测是建立在线性未知扰动的基础上的，当未知扰动为非线性且变化速率过快时，将严重降低观测器的观测精准度。
因此，针对风向变化、气流扰动等诸多非线性、迅速变化因素的干扰，本文将神经网络运算的思想应用到经典状态观测器中，对四旋翼无人机飞行过程中的气动参数进行精准的观测和补偿。
针对四旋翼无人机二阶控制系统，气动参数补偿状态观测器传递函数可以表示成未知扰动参数；
g为结构参数；
为简化模型函数；
u为系统输入。
式中，y和为输出参数；
为状态变量参数；
c为
图3 气动参数补偿状态观测器原理图
为了检验气动参数补偿状态观测器的干扰信号观测效果，搭建了仿真模型。气动参数未知干扰观测仿真波形，如图4所示。
图4 气动参数未知干扰观测仿真波形
四旋翼无人机参考输入轨迹Pa= (Xa,Ya,Za)T；
外环位
通过比较图4（a）、（b）可以看出，当四旋翼无人机在0s时刻出现随机未知气动干扰时，该干扰信号无论是出现在位置控制外环还是出现在姿态控制内环，均能够在1.6s时间内趋于稳定，干扰波动也可以快速恢复至0。
由此可以证明，气动参数补偿状态观测器可以大幅度降低风向变化、气流扰动等诸多因素对四旋翼无人机的干扰。
为了验证四旋翼无人机在风向变化、气流扰动等诸多因素影响下，机体跟踪性能，作出经典控制方法和本文所提出的控制方法下偏航角度的跟踪能力。
在系统随机加入未知气动干扰误差信号，通过比较图5（a）、（b）可以看出，在经典控制方法下的偏航角度与参考给定误差较大，且当参考给定信号出现阶跃突变时，实际偏航角度调整时间较长；
而本文所提出的控制方法，其偏航角度与参考给定角度的误差和阶跃响应后的调整时间均得到了明显的改善。
图5 偏航角度跟踪能力仿真波形
本文所提出的气动参数补偿状态观测器在无人机控制技术，采用姿态环、位置环的双环控制形式。针对风向变化、气流扰动等诸多因素的干扰，采用参数补偿观测器对干扰量进行精准观测和补偿，弥补经典状态观测器对快速变化、非线性、高阶次扰动参数补偿性能不稳定的问题，能够大幅度提高四旋翼无人机飞行的稳定性和控制的准确性。
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