多旋翼無人機飛行控制方法講解

　　為了克服某些線性控制方法的限制，一些非線性的控制方法被提出并且被運用到飛行器的控制中。下面是小編為大家分享多旋翼無人機飛行控制方法講解，歡迎大家閱讀瀏覽。

　　1、線性飛行控制方法

　　常規的飛行器控制方法以及早期的對飛行器控制的嘗試都是建立在線性飛行控制理論上的，這其中就又有諸如PID、H∞、LQR以及增益調度法。

　　1.PID PID控制屬于傳統控制方法，是目前最成功、用的最廣泛的控制方法之一。其控制方法簡單，無需前期建模工作，參數物理意義明確，適用于飛行精度要求不高的控制。

　　2.H∞ H∞屬于魯棒控制的方法。經典的控制理論并不要求被控對象的精確數學模型來解決多輸入多輸出非線性系統問題。現代控制理論可以定量地解決多輸入多輸出非線性系統問題，但完全依賴于描述被控對象的動態特性的數學模型。魯棒控制可以很好解決因干擾等因素引起的建模誤差問題，但它的計算量非常大，依賴于高性能的處理器，同時，由于是頻域設計方法，調參也相對困難。

　　3.LQR LQR是被運用來控制無人機的比較成功的方法之一，其對象是能用狀態空間表達式表示的線性系統，目標函數為是狀態變量或控制變量的二次函數的積分。而且Matlab軟件的使用為LQR的控制方法提供了良好的仿真條件，更為工程實現提供了便利。

　　4.增益調度法 增益調度(Gain scheduling)即在系統運行時，調度變量的變化導致控制器的參數隨著改變，根據調度變量使系統以不同的控制規律在不同的區域內運行，以解決系統非線性的問題。該算法由兩大部分組成，第一部分主要完成事件驅動，實現參數調整。 如果系統的運行情況改變，則可通過該部分來識別并切換模態;第二部分為誤差驅動，其控制功能由選定的模態來實現。該控制方法在旋翼無人機的垂直起降、定點懸停及路徑跟蹤等控制上有著優異的性能。

　　2、基于學習的飛行控制方法

　　基于學習的飛行控制方法的特點就是無需了解飛行器的動力學模型，只要一些飛行試驗和飛行數據。其中研究最熱門的有模糊控制方法、基于人體學習的方法以及神經網絡法。

　　1.模糊控制方法(Fuzzy logic)模糊控制是解決模型不確定性的方法之一，在模型未知的情況下來實現對無人機的控制。

　　2.基于人體學習的方法(Human-based learning) 美國MIT的科研人員為了尋找能更好地控制小型無人飛行器的控制方法，從參加軍事演習進行特技飛行的飛機中采集數據，分析飛行員對不同情況下飛機的操作，從而更好地理解無人機的輸入序列和反饋機制。這種方法已經被運用到小型無人機的自主飛行中。

　　3.神經網絡法(Neural networks) 經典PID控制結構簡單、使用方便、易于實現，但當被控對象具有復雜的非線性特性、難以建立精確的數學模型時，往往難以達到滿意的控制效果。神經網絡自適應控制技術能有效地實現多種不確定的、難以確切描述的非線性復雜過程的控制，提高控制系統的魯棒性、容錯性，且控制參數具有自適應和自學習能力。

　　3、基于模型的非線性控制方法

　　為了克服某些線性控制方法的限制，一些非線性的控制方法被提出并且被運用到飛行器的控制中。這些非線性的控制方法通常可以歸類為基于模型的非線性控制方法。這其中有反饋線性化、模型預測控制、多飽和控制、反步法以及自適應控制。

　　1.反饋線性化(feedback linearization)反饋線性化是非線性系統常用的一種方法。它利用數學變換的方法和微分幾何學的知識，首先，將狀態和控制變量轉變為線性形式，然后，利用常規的線性設計的方法進行設計，最后，將設計的結果通過反變換，轉換為原始的狀態和控制形式。反饋線性化理論有兩個重要分支：微分幾何法和動態逆法，其中動態逆方法較微分幾何法具有簡單的推算特點，因此更適合用在飛行控制系統的設計上。但是，動態逆方法需要相當精確的飛行器的模型，這在實際情況中是十分困難的。此外，由于系統建模誤差，加上外界的各種干擾，因此，設計時要重點考慮魯棒性的因素。動態逆的方法有一定的工程應用前景，現已成為飛控研究領域的一個熱點話題。

　　2.模型預測控制(model predictive control)模型預測控制是一類特殊的控制方法。它是通過在每一個采樣瞬間求解一個有限時域開環的最優控制問題獲得當前控制動作。最優控制問題的初始狀態為過程的當前狀態，解得的最優控制序列只施加在第一個控制作用上，這是它和那些預先計算控制律的算法的最大區別。本質上看模型預測控制是求解一個開環最優控制的問題，它與具體的模型無關，但是實現則與模型相關。

　　3.多飽和控制(nested saturation)飽和現象是一種非常普遍的物理現象，存在于大量的工程問題中。運用多飽和控制的方法設計多旋翼無人機，可以解決其它控制方法所不能解決的很多實際的問題。尤其是對于微小型無人機而言，由于大傾角的動作以及外部干擾，致動器會頻繁出現飽和。致動器飽和會限制操作的范圍并削弱控制系統的穩定性。很多方法都已經被用來解決飽和輸入的問題，但還沒有取得理想的效果。多飽和控制在控制飽和輸入方面有著很好的全局穩定性，因此這種方法常用來控制微型無人機的穩定性。

　　4.反步控制(Backstepping)反步控制是非線性系統控制器設計最常用的方法之一，比較適合用來進行在線控制，能夠減少在線計算的時間。基于Backstepping的控制器設計方法，其基本思路是將復雜的系統分解成不超過系統階數的多個子系統，然后通過反向遞推為每個子系統設計部分李雅普諾夫函數和中間虛擬控制量，直至設計完成整個控制器。反步方法運用于飛控系統控制器的設計可以處理一類非線性、不確定性因素的影響，而且已經被證明具有比較好穩定性及誤差的收斂性。

　　5.自適應控制(adaptive control)自適應控制也是一種基于數學模型的控制方法，它最大的特點就是對于系統內部模型和外部擾動的信息依賴比較少，與模型相關的信息是在運行系統的過程中不斷獲取的，逐步地使模型趨于完善。隨著模型的不斷改善，由模型得到的控制作用也會跟著改進，因此控制系統具有一定的適應能力。但同時，自適應控制比常規反饋控制要復雜，成本也很高，因此只是在用常規反饋達不到所期望的性能時，才會考慮采用自適應的方法。

　　拓展閱讀：

　　無人機拍照技巧

　　開闊的空間：如果你是個初學者，一定要記住避開水域或者茂密的植被，找一個盡量開闊的空間，因為剛開始練習時并不需要很好的技巧和特技飛行。

　　采光問題：空中拍攝時，一定要注意光線問題。

　　預先計劃，節約電池：目前市場上大多數無人機的飛行時間是20-30分鐘，比如GoPro家即將上市的Karma，滿電情況下支持20分鐘航拍；大疆精靈4，滿電情況下飛行時間為28分鐘。所以，一定要預先做好拍攝計劃，節約電池，并在電池允許的情況下返航。

　　遵守規定：這點很重要，你要提前確認無人機航拍規定，要確保我們所選的飛行區域沒有違反規定。無人機飛行區域、航拍限高限距和無人機航拍操控人員資質等，都要全面考慮。

　　設置錄制參數：飛行之前，根據你的項目或作品需求，預先設置好錄制參數。不然，飛上去可就晚嘍~

　　嘗試不同的拍攝角度：我們可以看到別人的航拍作品，有著完美的角度和捕捉軌跡，但是在我們形成自己的拍攝風格前，一定要大量的練習并總結經驗教訓。

　　用無人機進行動態拍攝：比如運動類廣告，要知道，我們可以隨意調整無人機的高度和速度（當然要在無人機的性能范圍內），讓無人機高速移動到所需位置去捕捉現場任意角度的畫面。嗯，無人機非常適合干這個！

　　懸停拍攝：終于可以飛起來，是不是就一定要飛來飛去呢？不，要記住，即使無人機可以隨處飛，也要考慮自己作品或故事的需求。如果你的故事需要一個相對來說靜止的廣闊的視角或空間，你可以將無人機懸停拍攝。

　　從其他電影中汲取靈感：在我們最初開始航拍時，有可能不知道如何把握角度或者拍攝最好的鏡頭，這個時候，我們可以從一些好的電影或作品中學習。目前已經有非常多可供我們學習的航拍作品了（當然，有些好的作品是用直升機拍的，而不是無人機），我們要大量觀看航拍作品并做拍攝角度記錄。

　　分析航拍鏡頭：不管是任何拍攝形式，我們都要分析鏡頭語言，因為不管再漂亮的畫面，如果所拍攝的鏡頭不能為影片敘事服務，那都是沒用的。

　　無人機拍照方法

　　1、尋找前景

　　尋找合適的景物作為前景有幾個好處：①烘托拍攝氛圍；②借助前景的變化，讓鏡頭看起來更加動感，有節奏。

　　2、循序漸進

　　航拍這類鏡頭前，首先需要提前確定焦點，其次是合適的構圖。一切準備完畢，后面主要靠飛手飛出這個畫面了。

　　3、對沖鏡頭

　　“對沖鏡頭”可以表達被攝物體的速度與沖力。顧名思義，對沖，是指飛行器和運動主體同時加速，相向飛行。穿越汽車、自行車、快艇等等，這樣的拍攝最大的難度在于飛手如何判斷飛行器與拍攝主體的距離，以及氣流的影響。

　　4、拍出鏡頭速度感

　　一般的多軸飛行器最高速度在45km/h，如果我們用多軸拍攝追車，結果會很慘。一方面如果汽車加速，飛行器追不上；另一方面，如果汽車減速，又拍不出來真實感。我們通常的做法有兩種。一是貼地飛行，這是為了通過地面增加前景的變化速度，提升感官的速度感。二是使用中、長焦鏡頭，可以放大局部，同時拍攝到的前景速度更快。

　　5、根據景別調整速度

　　大景別的航拍需要飛行器以較快的速度飛行。大景別的航拍由于沒有前景物體，畫面中遠處的建筑或是山川與飛行器距離又比較遠，所以飛行器慢速飛行時，很難看出畫面中的景象在發生相對運動。慢速航拍這類的鏡頭，效果看起來更像一張照片。只有當飛行器快速飛行時，才能在一個短暫的航拍鏡頭中讓觀眾看到這是一個運動畫面。

　　小景別的航拍與大景別相反。在小景別航拍中，被拍攝物體在畫面中的比重較大，過快的速度會讓云臺手很難把被拍攝物體保持在畫面中的理想的位置上。簡單說就是，飛機飛太快了，云臺手很難跟上要拍的對象。

　　通常使用的方式是，飛行器以較快的速度接近被拍攝物體；快接近被拍攝物體時飛行器減速，確保云臺手能夠跟住被拍攝物體。雖然在整個過程中，飛行器有一個減速的過程，但是由于減速的時間發生在飛行器與被拍攝物體較近的位置，此時被拍攝物體在畫面中比重較大，在畫面中的相對運動更為明顯。所以實際看起來，觀眾并不會察覺到飛行器實際減速了。

　　6、逆光畫面

　　逆光拍攝，往往能達到不一樣的感官效果。航拍逆光畫面需要把飛機藏進被拍攝物體的陰影中，這樣做能讓被拍攝物體在陽光的映襯下，泛出輪廓光。不過此時時間的選擇，是拍攝是否成功的重要因素，如果想拍攝到明、暗細節都有的保留的畫面。日出和日落前后的30分鐘，是最佳的時間。

　　7、提高素材利用率

　　電影或廣告拍攝中，航拍畫面的起幅和落幅很重要。為了提升航拍素材利用率，在大景別的航拍中，航拍起幅畫面要有3秒的平穩停頓時間，此時飛行器與云臺均保持不動；拍攝過程中，飛行器的行進、云臺方向的移動，都需要盡可能的平穩、勻速；落幅畫面和起幅一樣，通用需要3秒鐘的平穩停頓。平穩的無抖動的素材，在影視后期制作中更容易被利用。

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