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多旋翼無人機(jī)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(yùn)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(jī)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(guī)的飛行器控制方法以及早期的對(duì)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(diào)度法。
1.PID PID控制屬于傳統(tǒng)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(jiǎn)單，無需前期建模工作，參數(shù)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(jīng)典的控制理論并不要求被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型來解決多輸入多輸出非線性系統(tǒng)問題�，F(xiàn)代控制理論可以定量地解決多輸入多輸出非線性系統(tǒng)問題，但完全依賴于描述被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)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(jì)算量非常大，依賴于高性能的處理器，同時(shí)，由于是頻域設(shè)計(jì)方法，調(diào)參也相對(duì)困難。
3.LQR LQR是被運(yùn)用來控制無人機(jī)的比較成功的方法之一，其對(duì)象是能用狀態(tài)空間表達(dá)式表示的線性系統(tǒng)，目標(biāo)函數(shù)為是狀態(tài)變量或控制變量的二次函數(shù)的積分。而且Matlab軟件的使用為L(zhǎng)QR的控制方法提供了良好的仿真條件，更為工程實(shí)現(xiàn)提供了便利。
4.增益調(diào)度法 增益調(diào)度(Gain scheduling)即在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，調(diào)度變量的變化導(dǎo)致控制器的參數(shù)隨著改變，根據(jù)調(diào)度變量使系統(tǒng)以不同的控制規(guī)律在不同的區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，以解決系統(tǒng)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(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)調(diào)整。 如果系統(tǒng)的運(yùn)行情況改變，則可通過該部分來識(shí)別并切換模態(tài);第二部分為誤差驅(qū)動(dòng)，其控制功能由選定的模態(tài)來實(shí)現(xiàn)。該控制方法在旋翼無人機(jī)的垂直起降、定點(diǎn)懸停及路徑跟蹤等控制上有著優(yōu)異的性能。
2、基于學(xué)習(xí)的飛行控制方法
基于學(xué)習(xí)的飛行控制方法的特點(diǎn)就是無需了解飛行器的動(dòng)力學(xué)模型，只要一些飛行試驗(yàn)和飛行數(shù)據(jù)。其中研究最熱門的有模糊控制方法、基于人體學(xué)習(xí)的方法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)的控制。
2.基于人體學(xué)習(xí)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(xí)進(jìn)行特技飛行的飛機(jī)中采集數(shù)據(jù)，分析飛行員對(duì)不同情況下飛機(jī)的操作，從而更好地理解無人機(jī)的輸入序列和反饋機(jī)制。這種方法已經(jīng)被運(yùn)用到小型無人機(jī)的自主飛行中。
3.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法(Neural networks) 經(jīng)典PID控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、易于實(shí)現(xiàn)，但當(dāng)被控對(duì)象具有復(fù)雜的非線性特性、難以建立精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，往往難以達(dá)到滿意的控制效果。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制技術(shù)能有效地實(shí)現(xiàn)多種不確定的、難以確切描述的非線性復(fù)雜過程的控制，提高控制系統(tǒng)的魯棒性、容錯(cuò)性，且控制參數(shù)具有自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)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(yùn)用到飛行器的控制中。這些非線性的控制方法通�？梢詺w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(yù)測(cè)控制、多飽和控制、反步法以及自適應(yīng)控制。
1.反饋線性化(feedback linearization)反饋線性化是非線性系統(tǒng)常用的一種方法。它利用數(shù)學(xué)變換的方法和微分幾何學(xué)的知識(shí)，首先，將狀態(tài)和控制變量轉(zhuǎn)變?yōu)榫�性形式，然后，利用常規(guī)的線性設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后，將設(shè)計(jì)的結(jié)果通過反變換，轉(zhuǎn)換為原始的狀態(tài)和控制形式。反饋線性化理論有兩個(gè)重要分支：微分幾何法和動(dòng)態(tài)逆法，其中動(dòng)態(tài)逆方法較微分幾何法具有簡(jiǎn)單的推算特點(diǎn)，因此更適合用在飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上。但是，動(dòng)態(tài)逆方法需要相當(dāng)精確的飛行器的模型，這在實(shí)際情況中是十分困難的。此外，由于系統(tǒng)建模誤差，加上外界的各種干擾，因此，設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)考慮魯棒性的因素。動(dòng)態(tài)逆的方法有一定的工程應(yīng)用前景，現(xiàn)已成為飛控研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)話題。
2.模型預(yù)測(cè)控制(model predictive control)模型預(yù)測(cè)控制是一類特殊的控制方法。它是通過在每一個(gè)采樣瞬間求解一個(gè)有限時(shí)域開環(huán)的最優(yōu)控制問題獲得當(dāng)前控制動(dòng)作。最優(yōu)控制問題的初始狀態(tài)為過程的當(dāng)前狀態(tài)，解得的最優(yōu)控制序列只施加在第一個(gè)控制作用上，這是它和那些預(yù)先計(jì)算控制律的算法的最大區(qū)別。本質(zhì)上看模型預(yù)測(cè)控制是求解一個(gè)開環(huán)最優(yōu)控制的問題，它與具體的模型無關(guān)，但是實(shí)現(xiàn)則與模型相關(guān)。
3.多飽和控制(nested saturation)飽和現(xiàn)象是一種非常普遍的物理現(xiàn)象，存在于大量的工程問題中。運(yùn)用多飽和控制的方法設(shè)計(jì)多旋翼無人機(jī)，可以解決其它控制方法所不能解決的很多實(shí)際的問題。尤其是對(duì)于微小型無人機(jī)而言，由于大傾角的動(dòng)作以及外部干擾，致動(dòng)器會(huì)頻繁出現(xiàn)飽和。致動(dòng)器飽和會(huì)限制操作的范圍并削弱控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。很多方法都已經(jīng)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(wěn)定性，因此這種方法常用來控制微型無人機(jī)的穩(wěn)定性。
4.反步控制(Backstepping)反步控制是非線性系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)最常用的方法之一，比較適合用來進(jìn)行在線控制，能夠減少在線計(jì)算的時(shí)間。基于Backstepping的控制器設(shè)計(jì)方法，其基本思路是將復(fù)雜的系統(tǒng)分解成不超過系統(tǒng)階數(shù)的多個(gè)子系統(tǒng)，然后通過反向遞推為每個(gè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分李雅普諾夫函數(shù)和中間虛擬控制量，直至設(shè)計(jì)完成整個(gè)控制器。反步方法運(yùn)用于飛控系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)可以處理一類非線性、不確定性因素的影響，而且已經(jīng)被證明具有比較好穩(wěn)定性及誤差的收斂性。
5.自適應(yīng)控制(adaptive control)自適應(yīng)控制也是一種基于數(shù)學(xué)模型的控制方法，它最大的特點(diǎn)就是對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)部模型和外部擾動(dòng)的信息依賴比較少，與模型相關(guān)的信息是在運(yùn)行系統(tǒng)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(huì)跟著改進(jìn)，因此控制系統(tǒng)具有一定的適應(yīng)能力。但同時(shí)，自適應(yīng)控制比常規(guī)反饋控制要復(fù)雜，成本也很高，因此只是在用常規(guī)反饋達(dá)不到所期望的性能時(shí)，才會(huì)考慮采用自適應(yīng)的方法。
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無人機(jī)拍照技巧
開闊的空間：如果你是個(gè)初學(xué)者，一定要記住避開水域或者茂密的植被，找一個(gè)盡量開闊的空間，因?yàn)閯傞_始練習(xí)時(shí)并不需要很好的技巧和特技飛行。
采光問題：空中拍攝時(shí)，一定要注意光線問題。
預(yù)先計(jì)劃，節(jié)約電池：目前市場(chǎng)上大多數(shù)無人機(jī)的飛行時(shí)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(shí)間為28分鐘。所以，一定要預(yù)先做好拍攝計(jì)劃，節(jié)約電池，并在電池允許的情況下返航。
遵守規(guī)定：這點(diǎn)很重要，你要提前確認(rèn)無人機(jī)航拍規(guī)定，要確保我們所選的飛行區(qū)域沒有違反規(guī)定。無人機(jī)飛行區(qū)域、航拍限高限距和無人機(jī)航拍操控人員資質(zhì)等，都要全面考慮。
設(shè)置錄制參數(shù)：飛行之前，根據(jù)你的項(xiàng)目或作品需求，預(yù)先設(shè)置好錄制參數(shù)。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(fēng)格前，一定要大量的練習(xí)并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。
用無人機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)拍攝：比如運(yùn)動(dòng)類廣告，要知道，我們可以隨意調(diào)整無人機(jī)的高度和速度（當(dāng)然要在無人機(jī)的性能范圍內(nèi)），讓無人機(jī)高速移動(dòng)到所需位置去捕捉現(xiàn)場(chǎng)任意角度的畫面。嗯，無人機(jī)非常適合干這個(gè)！
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(jī)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(gè)相對(duì)來說靜止的廣闊的視角或空間，你可以將無人機(jī)懸停拍攝。
從其他電影中汲取靈感：在我們最初開始航拍時(shí)，有可能不知道如何把握角度或者拍攝最好的鏡頭，這個(gè)時(shí)候，我們可以從一些好的電影或作品中學(xué)習(xí)。目前已經(jīng)有非常多可供我們學(xué)習(xí)的航拍作品了（當(dāng)然，有些好的作品是用直升機(jī)拍的，而不是無人機(jī)），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?yàn)椴还茉倨恋漠嬅妫绻臄z的鏡頭不能為影片敘事服務(wù)，那都是沒用的。
無人機(jī)拍照方法
1、尋找前景
尋找合適的景物作為前景有幾個(gè)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(dòng)感，有節(jié)奏。
2、循序漸進(jìn)
航拍這類鏡頭前，首先需要提前確定焦點(diǎn)，其次是合適的構(gòu)圖。一切準(zhǔn)備完畢，后面主要靠飛手飛出這個(gè)畫面了。
3、對(duì)沖鏡頭
“對(duì)沖鏡頭”可以表達(dá)被攝物體的速度與沖力。顧名思義，對(duì)沖，是指飛行器和運(yùn)動(dòng)主體同時(shí)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(jié)果會(huì)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(shí)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(zhǎng)焦鏡頭，可以放大局部，同時(shí)拍攝到的前景速度更快。
5、根據(jù)景別調(diào)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(yuǎn)處的建筑或是山川與飛行器距離又比較遠(yuǎn)，所以飛行器慢速飛行時(shí)，很難看出畫面中的景象在發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。慢速航拍這類的鏡頭，效果看起來更像一張照片。只有當(dāng)飛行器快速飛行時(shí)，才能在一個(gè)短暫的航拍鏡頭中讓觀眾看到這是一個(gè)運(yùn)動(dòng)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(huì)讓云臺(tái)手很難把被拍攝物體保持在畫面中的理想的位置上。簡(jiǎn)單說就是，飛機(jī)飛太快了，云臺(tái)手很難跟上要拍的對(duì)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(shí)飛行器減速，確保云臺(tái)手能夠跟住被拍攝物體。雖然在整個(gè)過程中，飛行器有一個(gè)減速的過程，但是由于減速的時(shí)間發(fā)生在飛行器與被拍攝物體較近的位置，此時(shí)被拍攝物體在畫面中比重較大，在畫面中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)更為明顯。所以實(shí)際看起來，觀眾并不會(huì)察覺到飛行器實(shí)際減速了。
6、逆光畫面
逆光拍攝，往往能達(dá)到不一樣的感官效果。航拍逆光畫面需要把飛機(jī)藏進(jìn)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(shí)時(shí)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(xì)節(jié)都有的保留的畫面。日出和日落前后的30分鐘，是最佳的時(shí)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(wěn)停頓時(shí)間，此時(shí)飛行器與云臺(tái)均保持不動(dòng)；拍攝過程中，飛行器的行進(jìn)、云臺(tái)方向的移動(dòng)，都需要盡可能的平穩(wěn)、勻速；落幅畫面和起幅一樣，通用需要3秒鐘的平穩(wěn)停頓。平穩(wěn)的無抖動(dòng)的素材，在影視后期制作中更容易被利用。
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