15、无人机理论与飞行操作全解析

无人机理论与飞行操作全解析

1. 无人机控制理论概述

在无人机的运行中，有几个关键要点需要关注。首先是引导与控制的集成，这对于确保安全、最大化性能和灵活性至关重要。同时，要满足性能标准和终端状态约束。如今，配备障碍物检测和避障传感器的无人机在消费和专业领域都越来越普遍。最初，障碍物检测和避障技术是通过检测无人机前方物体的传感器开始的，像立体视觉、单目视觉、超声波、红外、飞行时间和激光雷达传感器等都被用于检测和避障，制造商们还将这些不同的传感器融合在一起，构建障碍物检测和避障系统。

飞行控制需要考虑天气变化和可能的避障情况，同时实现最佳的燃油消耗。不同的任务对设计要求也有所不同，例如在动态机动情况下，自动驾驶仪主要关注必须施加的控制力以及由此产生的6自由度平移和角加速度；而在需要精确跟踪的任务中，控制系统的评估更多地受到地标和飞机对湍流响应的影响。

2. 线性控制方法

线性控制方法通常分为以下几类：
- PID（最成功的线性控制器之一）
- 线性时不变（LTI，围绕操作点进行线性化）
- 线性时变（LTV，围绕轨迹进行线性化）
- 线性参数变化（LPV，多模型方法）

2.1 PID控制器

PID控制器应用广泛，原因在于它易于理解且效果显著。所有工程师从概念上都理解微分和积分，所以即使没有深入掌握控制理论，也能实现该控制系统。而且，尽管补偿器简单，但它很复杂，能通过积分捕捉系统历史，并通过微分预测系统未来行为。

一般采用分层双环架构，假设内环和外环子系统之间存在时间尺度分离。内环使用单输入单输出（SISO）PID控制每个轴的姿态，外环则使用解耦的PID控制器