四旋翼飞行器追踪地面移动目标控制策略研究

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四旋翼飞行器追踪地面移动目标控制策略研究

四旋翼飞行器对地面移动目标的追踪在军用、民用及商业化应用中发挥着越来越重要的作用[1]，对敌军车辆、坦克实时跟踪并侦查，以获取敌军行踪；对灾后的人员搜救，以获取实时灾情；对快速移动的物体进行拍摄，以获取可靠的影视资料等，均涉及飞行器对地面移动目标的追踪。李永健等人给出了采用OpenCV处理图像获取反馈信号的方案[2]，但OpenCV运行需机载计算机或采用上位机，不适合于小型嵌入式系统；文献[3]给出了采用光流法对运动目标进行检测的方案，但由于光流法更多地是检测移动目标的速度，无法检测地面移动目标相对于飞行器的位置，追踪效果不理想；文献[4]给出了采用ADAMS与matlab 仿真的多回路PID位置跟踪控制的模型，但该模型的实现较为困难，需运行速度较快的处理器。文献[5]给出了双闭环轨迹跟踪与控制的方案，提高了飞行器追踪地面移动目标的鲁棒性；文献[6]采用OpenMV制作了全自动模拟目标搜救系统，为飞行器追踪地面移动目标提供了新方案。

要完成飞行器对地面移动目标的快速追踪，需满足以下要求：首先，飞行器本身运动控制须非常灵活，响应迅速，滞后少；接着，要为控制系统提供必要的反馈，主要是运动目标与飞行器的位置偏差以及运动目标的移动速度；最后，需根据反馈对飞行器做出可靠的控制。

为了实现对地面快速移动目标的实时追踪，飞行器的响应速度必须较快，当地面目标移动时，飞行器应当能够根据地面目标的位置变化实时追踪。如果飞行器的响应速度较慢，当地面目标移动速度较快时，飞行器未能实时追踪，地面目标可能已经偏离摄像头视野，失去反馈信号，继而失控。主要从以下两方面提高飞行器打舵响应速度。

1.1 姿态PID控制的改进

通常，飞行器姿态控制为串级PID控制[7]，控制流如图1所示。

飞行器在悬停状态下，PITCH、ROLL的姿态角都应当为0，当飞行器做出追踪地面移动目标的动作时，PITCH、ROLL姿态角应当转到一定的角度，才可完成追踪，判断飞行器响应速度的标准也就为当飞行器从0°姿态角转到一定角度姿态角的时间，如果这个过程时间越短，则飞行器的响应速度就越快，反之越慢。为了减少该过度过程的时间，提高响应速度，在外环角度PID控制器上做出了改进，外环角度PID控制器的表达式为[8](1):

其中，u(t)为输出的角速度，Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数，e(t)为期望的姿态角和实际的姿态角的偏差。式(1)中，微分项代表姿态角偏差变化的速率，当期望的姿态角为零时，姿态角偏差变化的速率也就是姿态角变化的速率，姿态角变化的速率为角速度，而陀螺仪输出的原始数据即为角速度。因此，可用陀螺仪的原始数据代替外环角度PID控制器的微分项，如式(2)所示：

其中，Gyro为陀螺仪的原始数据，Gyrox代表着ROLL方向的角速度，Gyroy代表PITCH方向的角速度。陀螺仪输出的原始数据动态响应性能好，能实时地反映飞行器的角速度。相比采用角度偏差的微分作为微分项，陀螺仪输出的角速度作为微分项更能体现飞行器姿态角的变化趋势，形成有效的震荡阻尼，进而抑制飞行器的震荡。

1.2 参数的整定

整定合适的PID参数，可提高飞行器的动态响应性，串级PID中，内环为角速度控制，在角速度控制环中，期望的角速度为外环输入的角速度，实际的角速度为陀螺仪输出的角速度数据，输出的是PWM脉宽直接控制电机。因此该控制环既控制着角速度又直接控制电机，是最基础、最重要的控制环，内环应当根据角速度偏差输出电机转速及时修正角速度，能否及时修正角速度偏差由该控制环决定，飞行器的动态响应性能也由该控制环决定。在整定该控制环参数过程中，可适当增大Kp值，当系统产生等幅震荡时，加入Kd；当加入Kd能抑制系统的等幅震荡时，继续加入Kp，直到加入Kd不能抑制系统的等幅震荡为止。采取此临界状态的Kp作为内环的比例系数，采取能抑制住震荡的Kd作为内环的微分系数。在抑制住系统的等幅震荡之后，如果系统仍然以一定的角速度转动,则适当加入积分项，以能消除系统的静态误差时的Ki作为微分系数。以绕陀螺仪y轴的角速度作为参考，在整定合适的参数Kp=1.5、Ki=0.5、Kd=1.6后，PITCH姿态角的角速度期望值为0时，绕陀螺仪y轴的角速度变化如图2所示，考虑到陀螺仪数据会有零点漂移[9]，以及受电机震动的影响，角速度变化数据在0上下±50°/s的波动是可以接受的。

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