载人飞行器飞行控制方法概述  斑斓航空
载人飞行器的飞行控制是载人飞行器研究领域的主要问题之一。飞行过程中会出现各种干扰，如传感器的噪声和漂移、强风和湍流、载荷变化和过度倾斜引起的模型变化等。这些都会严重影响飞机的飞行品质，所以载人飞行器的控制技术就显得尤为重要。传统的控制方法主要集中在姿态和高度控制，此外，还有一些用于控制速度、位置、航向和三维轨迹跟踪控制。多转子载人飞行器的控制方法可以概括为以下三个主要方面。
1线性飞行控制方法传统的飞机控制方法和飞机控制的早期尝试都是基于线性飞行控制理论，其中有PID、H∞和LQR以及增益调度方法。
1.PID控制是一种传统的控制方法，是目前最成功、应用最广泛的控制方法之一。控制方法简单，前期无需建模工作，参数物理意义明确，适用于飞行精度较低的控制。
2.H∞是一种鲁棒控制方法。经典控制理论不需要被控对象的精确数学模型来解决多输入多输出非线性系统问题。现代控制理论可以定量地解决多输入多输出非线性系统的问题，但它完全依赖于描述被控对象动态特性的数学模型。鲁棒控制可以解决干扰等因素引起的建模误差问题，但计算量大，依赖于高性能处理器。同时，由于是频域设计方法，参数调整相对困难。
3.LQR·LQR是用来控制载人飞行器的成功方法之一。它的对象是一个可以用状态空间表达式表示的线性系统，目标函数是状态变量或控制变量的二次函数的积分。此外，Matlab软件的使用为LQR控制方法提供了良好的仿真条件，更便于工程实现。
4.增益调度(Gain scheduling)是指当系统运行时，控制器的参数会随着调度变量的变化而变化，从而使系统能够根据调度变量运行在具有不同控制规律的不同区域，解决系统非线性问题。该算法由两部分组成。第一部分主要完成事件驱动，实现参数调整。如果系统运行发生变化，可以通过该部分识别和切换模式；第二部分为误差驱动，其控制功能由选择的模式实现。该控制方法在旋翼载人飞行器的垂直起降、定点悬停和路径跟踪控制方面具有优异的性能。
2基于学习的飞行控制方法基于学习的飞行控制方法的特点是不需要知道飞机的动态模型，只需要一些飞行试验和飞行数据。其中，最流行的研究方法是模糊控制方法、基于人体学习的方法和神经网络方法。
1.模糊控制方法(Fuzzy logic)模糊控制是解决模型不确定性的方法之一，可以在模型未知时进行控制载人飞行器等。
2.以人为本的学习:为了给小型无人机找到更好的控制方法，美国麻省理工学院的研究人员从参与军事演习的特技飞机上收集数据，分析飞行员在不同情况下对飞机的操作，从而更好地理解载人飞行器。该方法已应用于小型载人飞行器自主飞行。
3.神经网络的经典PID控制结构简单，使用方便，易于实现，但当被控对象具有复杂的非线性特性，难以建立精确的数学模型时，往往难以达到令人满意的控制效果。神经网络自适应控制技术可以有效控制各种不确定、难以描述的非线性复杂过程，提高控制系统的鲁棒性和容错性，并且控制参数具有自适应和自学习能力。
3基于模型的非线性控制方法为了克服一些线性控制方法的局限性，提出了一些非线性控制方法，并将其应用于飞机的控制。这些非线性控制方法通常可以分为基于模型的非线性控制方法。有反馈线性化、模型预测控制、多饱和控制、反步法和自适应控制。
1.反馈线性化反馈线性化是非线性系统的常用方法。它运用了数学变换的方法和微分几何的知识。首先，将状态变量和控制变量转化为线性形式。然后，采用常规的线性设计方法进行设计。最后，通过逆变换将设计结果转化为原始状态和控制形式。反馈线性化理论有两个重要分支:微分几何方法和动态逆方法，其中动态逆方法比微分几何方法具有更简单的计算特性，因此更适合飞行控制系统的设计。然而，动态逆方法需要相当精确的飞机模型，这在实践中是非常困难的。此外，由于系统建模误差和各种外部干扰，设计时应重点考虑鲁棒性因素。动态逆方法具有一定的工程应用前景，已成为飞行控制研究领域的热点。
2.模型预测控制模型预测控制是一种特殊的控制方法。它通过求解有限时域开环在每个采样时刻的最优控制问题来获得当前的控制动作。最优控制问题的初始状态是过程的当前状态，得到的最优控制序列只作用于第一个控制动作，这是最优控制问题与那些预先计算控制律的算法最大的区别。本质上，模型预测控制是一个求解开环最优控制的问题，与具体模型无关，但实现与模型有关。
3.嵌套饱和饱和是一种非常普遍的物理现象，存在于大量的工程问题中。采用多饱和控制方法设计多转子载人飞行器可以解决许多其他控制方法无法解决的实际问题。特别是微型载人飞行器，由于大倾角和外界干扰的作用，执行机构会频繁饱和。执行器饱和会限制操作范围，削弱控制系统的稳定性。解决饱和输入问题的方法很多，但都没有取得令人满意的结果。多饱和控制在控制饱和输入时具有良好的全局稳定性，因此这种方法常用于控制micro 载人飞行器。
4.反推控制反推控制是非线性系统控制器设计中最常用的方法之一，适用于在线控制，可以减少在线计算的时间。基于反推的控制器设计方法的基本思想是将复杂系统分解为多个不超过系统阶次的子系统，然后通过后向递归为每个子系统设计部分李亚普诺夫函数和中间虚拟控制量，直至设计出整个控制器。将反步法应用于飞行控制系统控制器的设计，可以处理一类非线性和不确定性因素的影响，并证明具有良好的稳定性和误差收敛性。
5.自适应控制自适应控制也是一种基于数学模型的控制方法。它最大的特点是较少依赖系统内部模型的信息和外部扰动，在系统运行过程中不断获取与模型相关的信息，逐渐使模型趋于完善。随着模型的不断完善，从模型中得到的控制函数也会得到完善，因此控制系统具有一定的适应性。然而，与此同时，自适应控制比传统的反馈控制更加复杂和昂贵，因此只有当传统的反馈不能达到期望的性能时，才会考虑自适应方法。

天津斑斓航空科技有限公司，成立于2016年，成立之初是做华为企业网业务的代理商，原名天津瑞鼎创展科技有限公司。2019年公司由九个怀有飞之梦想的人组成团队转型研发电动垂直起降飞行器，致力于自主研发电动垂直起降载人飞行器，为高效的低空出行提供解决方案。