四旋翼控制算法国外研究现状

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在国外已经有很多高校和研究机构对四旋翼飞行器进行了研究。取得了一定成果的高校和研究机构包括：澳大利亚国立大学、美国宾夕法尼亚大学、美国康奈尔大学、瑞士联邦理工学院、法国贡比涅技术大学、美国斯坦福大学。这些高校的工作描述如下：         （1）斯坦福大学 斯坦福大学研究团队致力于一个叫STARMAC的项目。这个项目是为了测试和验证多机算法和控制策略。它包含多个能够使用GPS和IMU传感器进行轨迹跟踪的四旋翼飞行器。使用四旋翼飞行器的线性化模型，采用LQR控制方法在姿态控制中，在高度控制中使用了滑模控制。STARMAC试验台是基于Draganflyer III模型，并自行设计了导航系统和飞行控制器；其中使用基于GPS、地磁计、陀螺仪、高度传感器和加速度传感器组合的姿态测量系统，使用两个微控制器处理飞行器上通信、测量数据、数据估算和控制。控制算法采用了增强学习和滑模积分控制算法，取得了良好的控制效果，这两种算法在高度控制中都取得稳定的性能和相似的响应时间，但是对瞬态响应，滑模积分控制算法有更好的效果。增强学习控制算法容易受到系统干扰的影响，从而导致稳定性的下降。另外，Mesicopter项目是侧重于微机电系统的应用，已经设计成功了大小尺寸仅为16mm×16mm×15mm的样机，并能够进行简单控制，项目的目标是实现该款飞行器的多智能体协同。        （2）瑞士联邦理工学院 瑞士联邦理工学院的自主系统实验室启动了OS4项目，这个项目主要侧重于建立可以在室内环境全自主垂直起飞降落的微小型飞行器。主要工作有：1）试验台的设计、动态模型的建立，文章设计了两个独立的控制器：姿态控制器和位置控制器，其中姿态控制器采用的是非线性控制器并通过李亚普诺夫函数分析飞行器的稳定性，高度控制使用状态空间线性稳定技术稳定控制飞行器高度，最后通过建立的试验台获得一定的控制效果。2）将经典PID控制方法和现代LQ控制方法在四旋翼飞行器上实现并对这两种方法进行了比较，实验结果飞行器使用经典PID控制方法比LQ控制方法性能更优良，但是最优控制LQ应该有更好的结果，导致上述实验结果可能是没有考虑执行器的动态特性。3）在大角度控制中必须使用非线性控制方法，包括反步法和滑模控制方法；后期对非线性方法进行仿真和在试验台上实验，实验表明滑模控制方法取得一般的控制效果，部分原因是控制器的高频率切换导致了姿态传感器漂移，而反步法设计的控制器在相对高扰动下取得了很好的姿态角控制效果。4）最后，该研究团队给出了一个小尺寸垂直起飞降落飞行器设计的实际方法，并建立了实际飞行器，成功实现自主飞行。        （3）宾夕法尼亚大学 宾夕法尼亚大学GRASP实验室研制出的四旋翼飞行器是目前最具有突破性的研究成果。该团队设计的四旋翼飞行器使用视觉信息测量姿态，其工作原理是：首先通过摄像机采集飞行器上特殊标记的位置信息，之后通过定位算法确定四旋翼飞行器的姿态信息和位置信息，并融合了机载惯性单元测量数据和视觉数据，达到了非常高的姿态和位置测量精度。另外，提出了基于两个摄像头的视觉方法，其中一个摄像头在飞行器上，另一个安装在飞行器外，通过这两个摄像头估算飞行器的姿态；机载摄像头降低了俯仰和滚转角的估算误差。在控制算法上，该团队提出了反步法和反馈线性化方法，实验结果显示反步法控制器能够很好处理随机姿态误差，取得优良性能。目前该团队研制出的四旋翼飞行器具备了室内全自动自主飞行的能力。        （4）澳大利亚国立大学 澳大利亚国立大学对四旋翼飞行器进行了设计、制作、动态建模和控制策略的选定。设计了一个四旋翼飞行器，设计了一个控制系统并在设计的Mark I进行了实验，但由于没有获得精确的姿态角，实验没有取到满意的效果。此后设计了Mark II四旋翼飞行器，对飞行器的执行器进行了比较深入的分析，使用PID控制算法作为飞行器控制器的算法并认为不需要复杂的控制算法，但是没有给出飞行实验结果。        （5）美国康奈尔大学 康奈尔大学AFV项目研究团队使用视觉系统计算四旋翼飞行器的姿态和位置，同时也是利用机载陀螺仪来测量四旋翼飞行器的角速度；其设计思路是通过机载高速陀螺仪测量和低速的地面视觉系统共同测量，并利用卡尔曼滤波器估算飞行器的姿态和位置。视觉系统使用三个摄像头检测在四旋翼飞行器安装的LED灯，地面PC机接收并处理数据产生控制输出再发送到飞行器中。这套系统可以采用最优估算算法消除了陀螺仪的漂移和视觉系统低频率、延迟的影响，但是由于视觉系统安装固定，飞行器飞行的区域受到了限制。之后为了克服这个限制，该团队设计了一个小型四旋翼飞行器并搭载了所有传感器和需要的设备，对四旋翼飞行器非线性模型进行线性化，并使用LQR控制技术在姿态控制器中，对悬停控制取得良好的控制的效果，但该团队没有对四旋翼飞行器的位置控制进行深入研究。       （6）法国贡比涅技术大学（University of Technology in Compiegne） 贡比涅技术大学（UTC）组成研究团队非常早就成功将实时控制运用到四旋翼飞行器。该团队通过拉格朗日方法获得动态模型，同时采用基于饱和控制策略的控制算法，相比之前研究考虑到了旋翼的饱和特性。该团队使用Draganflyer III作为实验平台，该实验平台有手动控制和自动控制模式，并可以自由切换。该团队工作有：1）四旋翼飞行器的控制器分为多个模块，首先偏航控制器采用PD控制器并通过手动飞行获得控制器参数；其次滚转角控制器参数是在油门和俯仰角手动控制的情况下获得；再者，确定滚转角参数后俯仰角控制器参数在油门手动控制下获得；最后镇定获得油门控制的参数。通过实验，提出的控制方法取得了满意的控制效果。该团队对非线性控制方法和LQR控制方法进行了实验，表明在大角度时非线性控制方法能够取得良好的控制效果，同时在悬停控制时，采用LQR控制方法很难获得一个良好的悬停，会出现震荡；采用嵌套饱和控制策略后在有明显干扰情况下，飞行器仍然可以取得满意的控制效果。2）在达到悬停控制和位置控制后，UTC团队进一步对轨迹跟踪进行了研究,采用非线性控制算法并取得了良好的结果，但实验结果在实验室小范围内进行的飞行；如果在长距离、高速度情况下，采用同样的方法将不能得到良好的结果。3）UTC团队为四旋翼飞行器建立了一个机载嵌入式系统，包含测量姿态位置的陀螺仪、加速度计、地磁计和超声波等传感器，并在这个飞行器上运用PD和嵌套饱和控制器，并在悬停状态是飞行器取得相似的控制效果。UTC团队认为后续工作应该提高角度和位置的估算精确度，以及飞行器的控制算法。 除以上机构外，还有麻省理工学院、千叶大学、奥克兰大学在四旋翼飞行器进行了深入的研究。麻省理工学院（MIT）的无人机集群健康管理计划侧重于多机器人协作领域的研究。2007年MIT实现了一台地面装备对多架四旋翼飞行器的操控，并用于监控和追踪车辆和地面目标，使用IMU惯性测量单元进行姿态测量，激光扫描阵列用于周围环境感知、重建并规划飞行航线。另外还有美国Draganflyer公司的Draganflyer系列遥控模型、法国派诺特公司的AR.Drone遥控模型。