簡單闡述多旋翼飛行器的系統(tǒng)辨識

“本文主要講多旋翼飛行器的系統(tǒng)辨識，簡單闡述幾個概念。還是從一個有意思的話題說起，就是目前市面上的多旋翼飛控廠家在設計控制系統(tǒng)的時候，都是簡單粗放的調(diào)節(jié)PID參數(shù)嗎？答案肯定不是，至少一些大廠，如DJI等，在設計控制器，包括驗證控制器性能的時候，絕不是簡單調(diào)調(diào)PID參數(shù)、看看時域的波形就結(jié)束了。理論上要想量化控制器的優(yōu)劣設計，少不了對飛行器進行系統(tǒng)辨識，而這方面，基本上很少有廠家會去做。因素有很多，如精細化設計的需求本身、工程師的水平等?！?/p>

01、系統(tǒng)辨識到底有什么用？

首先是，飛行器領域的系統(tǒng)辨識到底有什么作用？總結(jié)起來就是大致以下幾點： （1）對飛行器本身進行穩(wěn)定性分析； （2）飛行器的操縱特性分析； （3）飛行仿真（仿真模型構(gòu)建、物理建模驗證與改進）； （4）指導飛行控制算法設計（根軌跡法），基于模型的控制算法設計； （5）控制器性能驗證（帶寬、相位滯后、穩(wěn)定裕度），定量分析控制算法設計的優(yōu)劣。

02、系統(tǒng)辨識模型有哪些？

主要分為參數(shù)化模型和非參數(shù)模型。參數(shù)化模型就是傳遞函數(shù)（單輸入單輸出）和狀態(tài)空間模型（多輸入多輸出），非參數(shù)模型就是脈沖響應和頻率響應。 上述兩種有何區(qū)別？ 首先參數(shù)化模型是以非參數(shù)模型作為前提的，從中辨識出參數(shù)化模型。它需要做很多假設，比如模型階次、運動方程的結(jié)構(gòu)、參數(shù)初始值等。從這個意義上來說，實際還是非參數(shù)化模型用的多，主要就是頻率響應。它可以迅速的幫我們了解系統(tǒng)，理解一些關鍵問題。

03、頻率響應法的優(yōu)點？

1. 可利用相干函數(shù)來作為辨識精度的指標； 2. 能準確找到系統(tǒng)的時間延遲； 3. 開環(huán)頻率響應能確定系統(tǒng)穿越頻率、增益裕度、相角裕度，閉環(huán)頻率響應能確定指令的跟蹤性能，包括帶寬等。

04、手動操縱是否可以？

一般來說，都是由飛手進行手動操縱。然而，實際應用中，掃頻取數(shù)據(jù)也是一個技術(shù)活，絕不是飛手簡單左右打打桿就能做好的。 隨便舉幾個例子，如打桿的幅值多大比較好？輸入的幅值太小，那響應的幅值就小，信噪比低，辨識精度下降；輸入的幅值太大，飛行器運動會偏離參考配平狀態(tài)很多，這樣線性模型的假設就失效了。數(shù)據(jù)記錄長度多長？輸入信號的頻率范圍是什么樣？等等。

05、怎么避免手動操縱帶來的誤差？

解決方案也簡單，就是設計一種飛行模式，輸入信號由計算機自動生成，這樣飛手操作的影響就小很多。 如何設計掃頻信號？幾個關鍵指標，頻率范圍，輸入幅值，淡入淡出時間，日志記錄時間。頻率范圍要確保對應的頻率響應在模型應用頻率范圍內(nèi)，多旋翼飛行器為例的話，大概在0.5~188rad/s，即0.08~30Hz。在辨識的時候，開始與結(jié)束階段輸入為零，保證穩(wěn)態(tài)；淡入淡出時間設計，保證開始或結(jié)束的時候輸入信號過于尖銳。 下面給出一組信號的仿真結(jié)果：

日志記錄時間：70s；

頻率范圍：0.08-30Hz；

幅值：0.26rad/s；

淡入時間：15s；

淡出時間：10s；

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06、多旋翼本體模型辨識的特殊性

固定翼本體模型辨識，可以直接無反饋控制飛行器飛行，輸入為舵面，輸出為某通道的角速度，因此可以做理想情況下的無控制增穩(wěn)系統(tǒng)開環(huán)辨識。但是多旋翼比較特殊，無控制增穩(wěn)系統(tǒng)，沒辦法直接飛行，因此只能是控制增穩(wěn)系統(tǒng)接入（即閉環(huán)）的情況下進行辨識。 閉環(huán)實驗的缺點是控制增穩(wěn)系統(tǒng)會抑制手動操縱的低頻輸入信號，導致信噪比低，進而低頻段的辨識精度下降。

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還有一個問題是，控制輸入會包含干擾響應，導致本體模型估計出現(xiàn)偏差。 解決辦法是：控制器增益盡量小，掃頻的輸入與干擾輸入的比值合理。

審核編輯：劉清