简单阐述多旋翼飞行器的系统辨识

“ 本文主要讲多旋翼飞行器的系统辨识，简单阐述几个概念。还是从一个有意思的话题说起，就是目前市面上的多旋翼飞控厂家在设计控制系统的时候，都是简单粗放的调节PID参数吗？答案肯定不是，至少一些大厂，如DJI等，在设计控制器，包括验证控制器性能的时候，绝不是简单调调PID参数、看看时域的波形就结束了。理论上要想量化控制器的优劣设计，少不了对飞行器进行系统辨识，而这方面，基本上很少有厂家会去做。因素有很多，如精细化设计的需求本身、工程师的水平等。”

01、系统辨识到底有什么用？

    首先是，飞行器领域的系统辨识到底有什么作用？总结起来就是大致以下几点： （1）对飞行器本身进行稳定性分析； （2）飞行器的操纵特性分析； （3）飞行仿真（仿真模型构建、物理建模验证与改进）； （4）指导飞行控制算法设计（根轨迹法），基于模型的控制算法设计； （5）控制器性能验证（带宽、相位滞后、稳定裕度），定量分析控制算法设计的优劣。  

02、系统辨识模型有哪些？

    主要分为参数化模型和非参数模型。参数化模型就是传递函数（单输入单输出）和状态空间模型（多输入多输出），非参数模型就是脉冲响应和频率响应。   上述两种有何区别？   首先参数化模型是以非参数模型作为前提的，从中辨识出参数化模型。它需要做很多假设，比如模型阶次、运动方程的结构、参数初始值等。从这个意义上来说，实际还是非参数化模型用的多，主要就是频率响应。它可以迅速的帮我们了解系统，理解一些关键问题。  

03、频率响应法的优点？

      1. 可利用相干函数来作为辨识精度的指标； 2. 能准确找到系统的时间延迟； 3. 开环频率响应能确定系统穿越频率、增益裕度、相角裕度，闭环频率响应能确定指令的跟踪性能，包括带宽等。    

04、手动操纵是否可以？

      一般来说，都是由飞手进行手动操纵。然而，实际应用中，扫频取数据也是一个技术活，绝不是飞手简单左右打打杆就能做好的。   随便举几个例子，如打杆的幅值多大比较好？输入的幅值太小，那响应的幅值就小，信噪比低，辨识精度下降；输入的幅值太大，飞行器运动会偏离参考配平状态很多，这样线性模型的假设就失效了。数据记录长度多长？输入信号的频率范围是什么样？等等。    

05、怎么避免手动操纵带来的误差？

      解决方案也简单，就是设计一种飞行模式，输入信号由计算机自动生成，这样飞手操作的影响就小很多。   如何设计扫频信号？几个关键指标，频率范围，输入幅值，淡入淡出时间，日志记录时间。频率范围要确保对应的频率响应在模型应用频率范围内，多旋翼飞行器为例的话，大概在0.5~188rad/s，即0.08~30Hz。在辨识的时候，开始与结束阶段输入为零，保证稳态；淡入淡出时间设计，保证开始或结束的时候输入信号过于尖锐。   下面给出一组信号的仿真结果：

日志记录时间：70s；

频率范围：0.08-30Hz；

幅值：0.26rad/s；

淡入时间：15s；

淡出时间：10s；

   

06、多旋翼本体模型辨识的特殊性

    固定翼本体模型辨识，可以直接无反馈控制飞行器飞行，输入为舵面，输出为某通道的角速度，因此可以做理想情况下的无控制增稳系统开环辨识。但是多旋翼比较特殊，无控制增稳系统，没办法直接飞行，因此只能是控制增稳系统接入（即闭环）的情况下进行辨识。   闭环实验的缺点是控制增稳系统会抑制手动操纵的低频输入信号，导致信噪比低，进而低频段的辨识精度下降。

 

还有一个问题是，控制输入会包含干扰响应，导致本体模型估计出现偏差。 解决办法是：控制器增益尽量小，扫频的输入与干扰输入的比值合理。        

审核编辑：刘清