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RflySim|半自主控制模式設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)一

2024-02-04 09:38 性質(zhì)：轉(zhuǎn)載 作者：飛思實(shí)驗(yàn)室 來源：飛思實(shí)驗(yàn)室
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>>半自主控制模式設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)1

本文主要介紹多旋翼飛行器的半自主控制。通常，根據(jù)自駕儀自主控制的程度，把處于半自主控制下的多旋翼分為三種模態(tài)：自穩(wěn)定模態(tài)、高度保持模態(tài)、定點(diǎn)模態(tài)。

01

實(shí)驗(yàn)原理

在半自主控制下，自駕儀能夠?qū)崿F(xiàn)多旋翼飛行器的姿態(tài)穩(wěn)定或懸停，飛控手通過遙控器手動(dòng)地實(shí)現(xiàn)位置控制。這種控制方式下，地面站不是必需的。因此，多旋翼的控制量由兩部分疊加起來，一部分是遙控器輸出的控制量，另一部分是自駕儀中的自動(dòng)控制器輸出的控制量。事實(shí)上，半自主控制由遙控和自動(dòng)控制組成，處于半自主控制下的多旋翼要么受遙控器控制，要么受自動(dòng)控制器控制。通常，根據(jù)自動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)的功能層次，半自主控制分為三種模式：自穩(wěn)模式、定高模式和定點(diǎn)模式。

1.自穩(wěn)模式

自穩(wěn)模式允許飛控手利用遙控器手動(dòng)控制多旋翼，遙控器搖桿功能和死區(qū)，所示。在該模式下，飛行器能夠自動(dòng)平衡滾轉(zhuǎn)/俯仰軸，以保持多旋翼的姿態(tài)穩(wěn)定。在遙控器控制下，飛控手利用遙控器的滾轉(zhuǎn)/俯仰搖桿控制多旋翼飛往期望方向。當(dāng)飛控手釋放滾轉(zhuǎn)/俯仰搖桿時(shí)，多旋翼的控制將自動(dòng)地由自動(dòng)控制器接管，可以穩(wěn)定地控制多旋翼的姿態(tài)，但位置仍然會(huì)漂移。在此過程中，飛控手需要不斷地向多旋翼發(fā)送滾轉(zhuǎn)、俯仰和油門指令，以保持定點(diǎn)懸停，因?yàn)槎嘈頃?huì)受風(fēng)的干擾而偏離位置。油門指令可以控制多旋翼的平均電機(jī)轉(zhuǎn)速，使多旋翼保持在當(dāng)前高度。如果飛控手把油門控制搖桿推到最低位置，那么電機(jī)將以最低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)如果多旋翼在飛行，多旋翼將失控并墜機(jī)。此外，當(dāng)飛控手釋放偏航搖桿時(shí)，多旋翼將保持在當(dāng)前機(jī)頭指向。

2. 定高模式

在定高模式下，當(dāng)允許正?？刂茲L轉(zhuǎn)、俯仰和偏航軸時(shí)，多旋翼能夠保持高度穩(wěn)定。當(dāng)油門搖桿在中間附近(40%~60%)時(shí)，多旋翼的控制將由自動(dòng)控制器接管，自動(dòng)給定油門指令使多旋翼能夠保持當(dāng)前的高度，但是水平位置仍然會(huì)漂移。自動(dòng)控制器不僅能控制高度，也能控制姿態(tài)。飛控手需要不斷地向多旋翼發(fā)送滾轉(zhuǎn)和俯仰指令使多旋翼定點(diǎn)懸停。一旦油門搖桿偏離中間位置（如低于40%或高于60%），多旋翼的控制將由遙控器接管，此時(shí)多旋翼爬升或下降取決于油門控制搖桿的偏向。當(dāng)油門控制搖桿推到最低位置時(shí)，多旋翼以最大容許速度下降；當(dāng)油門控制搖桿位于最高位置時(shí)，多旋翼將以最大容許速度爬升。在定高模式下，自駕儀需要搭載高度測(cè)量傳感器，如氣壓計(jì)或超聲波測(cè)距模塊。

3.定點(diǎn)模式

定點(diǎn)模式能夠保持多旋翼的姿態(tài)、位置和機(jī)頭指向穩(wěn)定。當(dāng)飛控手釋放滾轉(zhuǎn)/俯仰和偏航搖桿，并將油門搖桿推到中間死區(qū)位置時(shí)，多旋翼的控制將由自動(dòng)控制器接管，并能保持當(dāng)前水平位置、機(jī)頭指向和高度。精確的GPS位置信息和偏航角信息及機(jī)身低振動(dòng)對(duì)實(shí)現(xiàn)良好的定點(diǎn)懸停非常重要。飛控手可以推動(dòng)控制搖桿使遙控器接管多旋翼的控制，從而控制多旋翼的位置。飛控手可以推動(dòng)滾轉(zhuǎn)/俯仰搖桿控制水平位置。釋放搖桿后，多旋翼會(huì)減速而停止。飛控手可以像定高模式一樣推動(dòng)油門搖桿以控制高度，也可以推動(dòng)偏航控制搖桿以控制航向。在定點(diǎn)模式下，自駕儀除了需要高度測(cè)量傳感器，還需要搭載位置傳感器，如GPS接收機(jī)或視覺定位攝像機(jī)。根據(jù)上述分析可知，在半自主控制方式下，多旋翼總是在遙控和自動(dòng)控制之間自動(dòng)地切換。注意，遙控的優(yōu)先級(jí)高于自主控制這意味著如果激活遙控模式，自動(dòng)控制器與多旋翼的連接將斷開。只有當(dāng)某個(gè)（某些）搖桿位于中間位置附近時(shí)，對(duì)應(yīng)通道的自動(dòng)控制器才會(huì)接管多旋翼的控制。

02

遙控

03

自動(dòng)控制

1.自穩(wěn)模式

2.定高模式

3.定點(diǎn)模式

4.遙控與自動(dòng)控制間的切換邏輯

參考文獻(xiàn)：

[1] 全權(quán),杜光勛,趙峙堯,戴訓(xùn)華,任錦瑞,鄧恒譯.多旋翼飛行器設(shè)計(jì)與控制[M],電子工業(yè)出版社,2018.

[2] 全權(quán),戴訓(xùn)華,王帥.多旋翼飛行器設(shè)計(jì)與控制實(shí)踐[M],電子工業(yè)出版社,2020.

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