【摘 要】無人旋翼飛行器是目前國際上應用比較廣泛的偵查設備，其主要特點就是可以實現(xiàn)人員的遠程操控，保證了人員的安全，而且無人旋翼飛行器一般體積較小，重量偏輕，具有較好的機動性。想要保證飛行器在不同氣候、地形等條件下完成既定任務，就必須對飛行器的飛行控制系統(tǒng)做出調(diào)整。本文即是對無人旋翼飛行器自適應飛行控制系統(tǒng)的相關設計方案進行的分析，最后通過實驗對分析進行實際研究，證明了本次分析設計的飛行控制系統(tǒng)具有較好的自適應性和魯棒性，能夠充分實現(xiàn)飛行器在空中的各類動作，并且可以有效穩(wěn)定飛行器空中姿態(tài)，提高了控制人員的可操作性。

【關鍵詞】無人飛行器 自適應控制 設計 實驗

無人飛行器是目前較為先進的無人偵查設備之一，具有較好的機動性，體重較輕，能夠高速飛行，適合未來戰(zhàn)場上的偵查工作。目前世界上的飛行器主要以無人旋翼飛行器為主，其根據(jù)螺旋槳的個數(shù)或螺旋槳軸的個數(shù)進行分類，可以實現(xiàn)高難度的空中動作，如翻滾、直停、側飛、垂直升降等，在繼承直升機等機型優(yōu)點的基礎上，加入了一些更加先進的技術。

一、自適應飛行控制律的設計

（一）模型逆

自適應控制系統(tǒng)最早是被應用在航天航空領域，提出這一理念是因為當飛行設備在外部環(huán)境下進行飛行的過程中會遇到各類外界因素的影響。這些因素都會影響飛行裝置的穩(wěn)定性，對飛行器的飛行高度和速度造成一定的影響。目前想要獲得無人旋翼飛行器的精確公式還有一定困難，通常情況下均是采用經(jīng)驗對相關數(shù)據(jù)進行估計，或?qū)嶒炛兴贸龅钠骄鶇?shù)，因此這類計算方法存在一定的誤差性。其誤差可以用：來進行表示。其代表飛行器系統(tǒng)的實際動態(tài)情況和預估動態(tài)情況之間的差異，這種誤差可以通過控制器逆誤差來進行補償。

（二）模型逆誤差動態(tài)特性

以三軸無人飛行器為例，其控制回路的設計模型一般上是用二階穩(wěn)定模型來進行表示，其指令向量的公式為：。而飛行器在飛行過程中所收到的角加速度影響向量的公式則為：，用來表示神經(jīng)網(wǎng)絡中計算數(shù)據(jù)所需要的輸出量，以此來對模型的逆差進行補償。

由上圖中可以看出，在對控制無人飛行器姿態(tài)的系統(tǒng)進行設計時，其模型逆控制器輸出值的偽控制量一般利用：來表示，其中來表示，是模型的跟蹤誤差。代表無人飛行器控制器的輸出，可以用來抵消模型所產(chǎn)生的誤差。當無人飛行器控制器的輸出量能夠完全抵消掉誤差，則上述公式即轉(zhuǎn)化為無固定控制量的方程，其動態(tài)誤差呈現(xiàn)收斂性，并且矩陣A對其起到了決定性的影響作用。如果可以有效保證、的正確性，則就會使無人飛行器整體系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，其所產(chǎn)生的誤差就會縮小，并且誤差趨勢也會有所收斂。

（三）模型逆誤差神經(jīng)網(wǎng)絡補償

神經(jīng)網(wǎng)絡是自適應系統(tǒng)中比較重要的組成部分，其使得自適應系統(tǒng)具備了自學習和自適應屬性，因此，這一組成部分可以有效幫助整個系統(tǒng)對模型帶來的誤差進行補償。以但隱層神經(jīng)網(wǎng)絡為例，以具體構成圖如下：

在這一系統(tǒng)中，其隱含的層節(jié)點激活函數(shù)一般是以S型函數(shù)進行表達的，其具體可列為：。而輸出層節(jié)點則與隱含層節(jié)點存在不同的表達方式，其主要是以線性函數(shù)進行表單，具體可以列為：

。其中代表輸入層的節(jié)點數(shù)，代表隱含層的節(jié)點數(shù)，而則代表輸出層的節(jié)點數(shù)，代表輸入層的偏置量，而則表示隱含層的偏置量，表示隱含層的閾值，而則表示輸出層的閾值。其中和均不能是負數(shù)。

為了保證系統(tǒng)在實際操作階段不出現(xiàn)較大波動的變化，穩(wěn)定操作量的輸出，可以對神經(jīng)網(wǎng)絡輸出值進行有效地計算，其是以增加高增益魯棒項為標準的，具體為：，其中，。

（四）神經(jīng)網(wǎng)絡權系數(shù)自主學習的算法

神經(jīng)網(wǎng)絡的在線學習能力也是整個系統(tǒng)自適應的一種表現(xiàn)，其主要是由于非線性函數(shù)使得該系統(tǒng)能夠無限接近自主學習特性。所有的參考模型信號有界，而神經(jīng)網(wǎng)絡的權系數(shù)計算公式則可以表示為：

二、無人旋翼飛行器控制系統(tǒng)實驗

在控制系統(tǒng)設計并安裝完畢后，需要對整個系統(tǒng)進行實際操作測試，如果條件允許的情況下可以先制作出樣機進行測試；而如果條件不允許的情況下則可以利用Simulink工具對其進行仿真模擬測試。主要測試的項目包括無人旋翼飛行器的水平垂直升降的穩(wěn)定性和控制器對其的操作性能，還要驗證飛行器在飛行過程中懸停、側飛、翻滾、復位等動作的穩(wěn)定性和控制性的可操作性。利用計算機程序?qū)︼w行器飛行軌跡進行計算，分析其飛行姿態(tài)和動作軌跡是否能夠與控制器保持一致。

無人旋翼飛行器是目前較為先進的飛行技術，其打破了傳統(tǒng)飛行器設計理念，結合目前最為先進的科學技術，對未來飛行設備的發(fā)展有著巨大的影響。

參考文獻：

【1】夏青元，徐錦法.變轉(zhuǎn)速共軸旋翼載荷建模及實驗驗證[J].實驗力學，2012.

作者簡介：周如磊（1983·8）男；民族：漢族；籍貫：安徽省霍邱縣人；2008年畢業(yè)于中國民航大學，飛行器動力工程系；現(xiàn)供職中國東方航空股份有限公司；職稱：助理工程師；學位：學士；研究方向：飛行器動力工程。