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[摘 要]小型无人直升机因其低空低速飞行、垂直起降等特点，在军事和民用领域有着较光明的应用前景，因此无人直升机的控制问题成为自动控制领域的研究焦点。文章针对小型无人直升机模型，通过整理归纳，对具有代表性的飞行控制技术方法进行介绍，主要介绍线性控制器和非线性控制器当中一些常见的控制技术方法。
[关键词]小型无人直升机;试验平台;飞行控制技术;飞行原理
[中图分类号]V249.1 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）05–00–02
Review of anti Jamming Control and Algorithm for Small Helicopter
Zuo Long-wei
[Abstract]Helicopter has a bright future in the military and civil fields because of its low altitude and low speed flight， vertical take-off and landing， so the control of helicopter is the research focus in the field of automatic control. According to the model of small unmanned helicopter， this paper introduces the representative flight control technology methods， mainly introduces some common control technology methods of linear controller and nonlinear controller.
[Keywords]small unmanned helicopter; experimental platform; flight control technology; flight principle
1 小型无人直升机
1.1 基本介绍
无人机的概念，从字面意思看就是不需要载人驾驶的飞机。不载人驾驶，那么肯定要通过一些设备或者控制方法对飞机进行飞行控制。无人机是通过遥控信号发送机或者提前载入程序进行控制的。一架无人机一般可以分为硬件和软件两个部分。硬件系统包括机身、飞控、接收机、传感器等。传感器充当无人机的感知系统，常用的传感器有摄像头、激光雷达、与遥控模块对应的接收机、无线数传等。
上面提到，第一种操作方式是通过遥控信号发送机对无人机进行远程操控。主要过程是遥控装置解锁无人机，发送相应指令，通过无人机的接收机传送到飞控上，从而飞控对无人机做出相应的控制。第二种是通过地面站，直接在飞控上载入程序，通过遥控装置一键执行。
无人机的其中一种是无人直升机，无人直升机又可以分为大、中、轻、小、微小等类型。用于试验室研究的一般是小型无人直升机，且一般都是固定在室内的试验平台。小型无人直升机的优点是轻巧方便、价格低廉、可操作性高，目前在各种领域都有应用，如勘探地形、拍照摄影、运送物资等。
1.2 发展情况
20世界初，保罗的成功试飞标志着世界上第一架人类直升机诞生。1917年，皮特和埃尔默发明了自动陀螺稳定器，这使得无人机从理论变成有可能实现的科技。此后便有很多人尝试着将直升机缩小，并将无人直升机真正实现。
基于中国的历史发展情况，无人直升机起步于20世纪90年代，得益于改革开放，发展速度很快。20世纪末，中国第一架无人直升机“海鸥”号完成首飞。21世纪初，中国首架微型无人直升机“御精灵”登台亮相。
在国外，对于无人直升机的自动控制问题，如角度、速度、轨迹等问题基本已经解决。无人直升机闭环系统本身的稳定性、鲁棒性等已经有许多控制算法进行调节控制，目前无人直升机的研究方向更多地是转向无人自主控制。
在国内，虽然无人直升机的发展速度很快，但是对于一些控制难点仍然采取回避的方式。对于无人直升机的研究仍旧停留在自动控制阶段，即对于特定的运动系统进行建模，设计单一或复合控制器，使得整个系统趋于稳定。但是国内对于运动系统的非线性项或非线性干扰的研究比较多。
1.3 小型无人直升机的试验平台
目前，国内对小型无人直升机的控制系统设计的试验研究并不多。因为专业而特有的仿真软件的开发成本较高，回收周期长，不能满足在有限的成本和时间内做出有效的成绩。现有的仿真成果的参考价值也不大，无法直观地对复杂的无人直升机系统进行空中状态的测量。
鉴于我国目前的软硬件水平，很难设计出一个好的无人直升机飞行控制系统。小型无人直升机的研究领域应当由广阔的天空趋向于室内的固定试验平台，因此，无人直升机试验平台的开发会是未来国内小型无人直升机仿真研究的一个趋势。
2006年，姜哲等人[4]对一种安装在机械臂上的小型无人直升机，实现了转速控制和系统的辨识。2019年，杨顺龙[5]设计了一种可以无线通信的小型無人直升机系统，该系统可以通过仿真机控制。
2 小型无人直升机的飞行原理
小型无人直升机的组成部分有主旋翼，尾旋翼，机身，电机等。当然并不是所有的小型无人直升机都是一样的，有些直升机的主旋翼是三角结构，是由3个电机组成，而有些直升机就非常简单，比如Humusoft两自由度的CE150的主旋翼和尾旋翼分别只由一个电机控制，只能俯仰或者旋转。大多数小型无人直升机基本上都是六个自由度的，内部的物理结构及系统构成较为复杂。下面的原理阐释只针对六自由度的小型无人直升机。 首先需要建立一个三维的空间坐标系，3条轴线对应直升机的3个姿态，分别是俯仰，横滚，偏航。主旋翼和尾旋翼共同提供直升机的控制力矩，俯仰和横滚姿态由主旋翼控制，尾旋翼负责直升机的偏航姿态，前提条件是建立在不考虑两者之间可能产生的耦合的情况下。
六自由度直升机的主旋翼的结构就是三角结构，通过3个电机的升降控制主旋翼桨尖平面，使其上下挥舞，同时配合自动倾斜器，达到控制直升机俯仰和横滚的效果。
根据牛顿第三定律，当直升机的主旋翼旋转时，产生升力的同时，也会对直升机产生一个反作用力矩，会使得直升机打转甚至失控，所以需要尾旋翼来抵消这个反作用力矩。
另一个作用就是控制直升机的方位角，改变尾桨拉力的大小，可以操纵方向。在我国，直升机的主旋翼转向一般是逆时针，产生的扭矩则是相反。因此尾旋翼需要产生与主旋翼转向相同方向的转矩，尾旋翼的推力的高低可以控制直升机航向偏向。
3 飞行控制技术
3.1 线性控制器
当对小型无人直升机的运动学模型进行研究时，无论是简单的二自由度或者更高的六自由度，会发现其中包含非线性项和非线性干扰。而线性控制器是应用于线性对象的，那么为了将线性控制器运用在小型无人直升机这个非线性对象上，就需要找到合适的约束条件和方法，将其运动学系统中的非线性项线性化。由于这种方法是需要满足约束条件的，因此针对线性化对象控制器的适用范围具有局限性。虽然有这种限制，但是因为线性控制器结构简单、便于控制、容易实现的优点，在早期的研究中被很多研究人员运用。
比例积分微分控制（PID控制）是最先出现的控制方法之一，算法简便、鲁棒性良好且成熟可靠。常规PID控制器作为一种线性控制器，2003年，Humusoft在一个二自由度的无人直升机模型（CE150）设计两个PID单输入单输出控制器[6]，分别控制俯仰角和方位角，但是耦合对于系统动力学的影响依然存在。
为了降低耦合对于小型无人直升机系统动力学的影响，线性二次型调节器（简称LQR）应运而生。通过LQR较容易地获得状态线性反馈的最优控制规律。这是一种空间状态设计法，属于较为成熟的现代控制理论。2008年，王小青等人[7]采用改进的LQR方法，对小型无人直升机进行增稳系统设计。
为了解决经典频域理论不适合多变量系统设计的问题，20世纪80年代，Zames和Doyle提出了H∞控制理论。H∞控制理论应用于指标项转化为特定闭环传递函数矩阵的H∞范数的设计问题，将频域概念与状态空间法相结合，给出了鲁棒控制系统的设计方法。2008年，车军等人[8]基于H∞理论设计了内回路鲁棒姿态控制律。
还有反馈线性化，这是基于精准模型的线性化方法，一般在大范围内有效。通过对原状态的非线性系统转换成线性的能控能观测系统，再通过一般的线性控制方法进行控制。清华大学的胡春华在博士论文中，就通过反馈线性化将纵列式无人直升机近似线性化。[9]
3.2 非线性控制器
通过上述分析说明，线性控制器的适用范围是具有局限性的。当小型无人直升机的运行偏离了平衡点，或者对于适用范围之外的控制，线性控制器对于系统的控制效果就显得很薄弱了。因此需要用非线性控制器对非线性对象进行控制，可以是单独控制，也可以运用复合策略。
反步控制技术的基本理念是降阶非线性系统为若干个子系统，然后设计Lyapunov函数和子系统的虛拟部分，再倒推回原来的系统。这种方法的优点就是化整为零，再控制设定的子系统Lyapunov函数，从而控制整个非线性系统。2012年，孙秀云等人针对小型无人直升机非线性系统，提出了一种基于反步法的控制策略。
自适应控制技术是一种带有在线参数识别的控制方法，需要在系统的运行过程中不断提取有关模型的信息，因此常常会借助人工智能学科，比如神经网络。2005年，王辉等人[11]根据自适应控制理论，基于神经网络设计了自适应控制系统。
滑模控制是根据系统的当前状态不断向目标移动，使系统在预定的滑动轨迹中移动，其特点是具有不连续性。2014年，周彬[12]基于滑膜控制理论为直升机系统设计了双环积分滑模姿态控制器。
参考文献
[1] 我国首架微型无人直升机——“御精灵”/小偷都害怕的高科技皮包/会走路的行李[J].现代班组，2007（8）：18.
[2] 贺跃帮.小型无人直升机鲁棒非线性控制研究[D].广州：华南理工大学，2013.
[3] 瞿友杰，陈谋.基于干扰观测器和SDRE的小型无人直升机姿态控制[A].中国自动化学会系统仿真专业委员会、中国系统仿真学会仿真技术应用专业委员会.第18届中国系统仿真技术及其应用学术年会论文集（18thCCSSTA2017）[C].中国自动化学会系统仿真专业委员会、中国系统仿真学会仿真技术应用专业委员会：中国自动化学会系统仿真专业委员会，2017.
[4] 姜哲，赵新刚，韩建达.小型无人直升机试验平台的设计与实现[J].仪器仪表学报，2006（S3）：1858-1860.
[5] 杨顺龙.小型无人直升机实时控制系统试验平台设计与实现[D].哈尔滨：黑龙江大学，2019.
[6] Humusoft， Prague. 150 Helicopter Model： User’s Manual[Z].Czech Republic，2002.
[7] 王小青，黄一敏，杨一栋.小型无人直升机增稳系统设计[J].系统仿真学报，2008，20（S1）：526-528，533.
[8] 车军，唐强，刘锡成，等.无人旋翼飞机鲁棒姿态控制律设计[J].系统仿真学报，2008，20（S1）：483-485.
[9] 胡春华.纵列式无人直升机建模及非线性控制[D].北京：清华大学，2004.
[10] 孙秀云，方勇纯，孙宁.小型无人直升机的姿态与高度自适应反步控制[J].控制理论与应用，2012，29（3）：381-388.
[11] 王辉，徐锦法，高正.基于神经网络的无人直升机姿态控制系统设计[J].航空学报，2005（6）：16-20.
[12] 周彬.基于滑模的小型无人直升机姿态控制系统设计与实现[D].长沙：国防科学技术大学，2014.
[关键词]小型无人直升机;试验平台;飞行控制技术;飞行原理
[中图分类号]V249.1 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）05–00–02
Review of anti Jamming Control and Algorithm for Small Helicopter
Zuo Long-wei
[Abstract]Helicopter has a bright future in the military and civil fields because of its low altitude and low speed flight， vertical take-off and landing， so the control of helicopter is the research focus in the field of automatic control. According to the model of small unmanned helicopter， this paper introduces the representative flight control technology methods， mainly introduces some common control technology methods of linear controller and nonlinear controller.
[Keywords]small unmanned helicopter; experimental platform; flight control technology; flight principle
1 小型无人直升机
1.1 基本介绍
无人机的概念，从字面意思看就是不需要载人驾驶的飞机。不载人驾驶，那么肯定要通过一些设备或者控制方法对飞机进行飞行控制。无人机是通过遥控信号发送机或者提前载入程序进行控制的。一架无人机一般可以分为硬件和软件两个部分。硬件系统包括机身、飞控、接收机、传感器等。传感器充当无人机的感知系统，常用的传感器有摄像头、激光雷达、与遥控模块对应的接收机、无线数传等。
上面提到，第一种操作方式是通过遥控信号发送机对无人机进行远程操控。主要过程是遥控装置解锁无人机，发送相应指令，通过无人机的接收机传送到飞控上，从而飞控对无人机做出相应的控制。第二种是通过地面站，直接在飞控上载入程序，通过遥控装置一键执行。
无人机的其中一种是无人直升机，无人直升机又可以分为大、中、轻、小、微小等类型。用于试验室研究的一般是小型无人直升机，且一般都是固定在室内的试验平台。小型无人直升机的优点是轻巧方便、价格低廉、可操作性高，目前在各种领域都有应用，如勘探地形、拍照摄影、运送物资等。
1.2 发展情况
20世界初，保罗的成功试飞标志着世界上第一架人类直升机诞生。1917年，皮特和埃尔默发明了自动陀螺稳定器，这使得无人机从理论变成有可能实现的科技。此后便有很多人尝试着将直升机缩小，并将无人直升机真正实现。
基于中国的历史发展情况，无人直升机起步于20世纪90年代，得益于改革开放，发展速度很快。20世纪末，中国第一架无人直升机“海鸥”号完成首飞。21世纪初，中国首架微型无人直升机“御精灵”登台亮相。
在国外，对于无人直升机的自动控制问题，如角度、速度、轨迹等问题基本已经解决。无人直升机闭环系统本身的稳定性、鲁棒性等已经有许多控制算法进行调节控制，目前无人直升机的研究方向更多地是转向无人自主控制。
在国内，虽然无人直升机的发展速度很快，但是对于一些控制难点仍然采取回避的方式。对于无人直升机的研究仍旧停留在自动控制阶段，即对于特定的运动系统进行建模，设计单一或复合控制器，使得整个系统趋于稳定。但是国内对于运动系统的非线性项或非线性干扰的研究比较多。
1.3 小型无人直升机的试验平台
目前，国内对小型无人直升机的控制系统设计的试验研究并不多。因为专业而特有的仿真软件的开发成本较高，回收周期长，不能满足在有限的成本和时间内做出有效的成绩。现有的仿真成果的参考价值也不大，无法直观地对复杂的无人直升机系统进行空中状态的测量。
鉴于我国目前的软硬件水平，很难设计出一个好的无人直升机飞行控制系统。小型无人直升机的研究领域应当由广阔的天空趋向于室内的固定试验平台，因此，无人直升机试验平台的开发会是未来国内小型无人直升机仿真研究的一个趋势。
2006年，姜哲等人[4]对一种安装在机械臂上的小型无人直升机，实现了转速控制和系统的辨识。2019年，杨顺龙[5]设计了一种可以无线通信的小型無人直升机系统，该系统可以通过仿真机控制。
2 小型无人直升机的飞行原理
小型无人直升机的组成部分有主旋翼，尾旋翼，机身，电机等。当然并不是所有的小型无人直升机都是一样的，有些直升机的主旋翼是三角结构，是由3个电机组成，而有些直升机就非常简单，比如Humusoft两自由度的CE150的主旋翼和尾旋翼分别只由一个电机控制，只能俯仰或者旋转。大多数小型无人直升机基本上都是六个自由度的，内部的物理结构及系统构成较为复杂。下面的原理阐释只针对六自由度的小型无人直升机。 首先需要建立一个三维的空间坐标系，3条轴线对应直升机的3个姿态，分别是俯仰，横滚，偏航。主旋翼和尾旋翼共同提供直升机的控制力矩，俯仰和横滚姿态由主旋翼控制，尾旋翼负责直升机的偏航姿态，前提条件是建立在不考虑两者之间可能产生的耦合的情况下。
六自由度直升机的主旋翼的结构就是三角结构，通过3个电机的升降控制主旋翼桨尖平面，使其上下挥舞，同时配合自动倾斜器，达到控制直升机俯仰和横滚的效果。
根据牛顿第三定律，当直升机的主旋翼旋转时，产生升力的同时，也会对直升机产生一个反作用力矩，会使得直升机打转甚至失控，所以需要尾旋翼来抵消这个反作用力矩。
另一个作用就是控制直升机的方位角，改变尾桨拉力的大小，可以操纵方向。在我国，直升机的主旋翼转向一般是逆时针，产生的扭矩则是相反。因此尾旋翼需要产生与主旋翼转向相同方向的转矩，尾旋翼的推力的高低可以控制直升机航向偏向。
3 飞行控制技术
3.1 线性控制器
当对小型无人直升机的运动学模型进行研究时，无论是简单的二自由度或者更高的六自由度，会发现其中包含非线性项和非线性干扰。而线性控制器是应用于线性对象的，那么为了将线性控制器运用在小型无人直升机这个非线性对象上，就需要找到合适的约束条件和方法，将其运动学系统中的非线性项线性化。由于这种方法是需要满足约束条件的，因此针对线性化对象控制器的适用范围具有局限性。虽然有这种限制，但是因为线性控制器结构简单、便于控制、容易实现的优点，在早期的研究中被很多研究人员运用。
比例积分微分控制（PID控制）是最先出现的控制方法之一，算法简便、鲁棒性良好且成熟可靠。常规PID控制器作为一种线性控制器，2003年，Humusoft在一个二自由度的无人直升机模型（CE150）设计两个PID单输入单输出控制器[6]，分别控制俯仰角和方位角，但是耦合对于系统动力学的影响依然存在。
为了降低耦合对于小型无人直升机系统动力学的影响，线性二次型调节器（简称LQR）应运而生。通过LQR较容易地获得状态线性反馈的最优控制规律。这是一种空间状态设计法，属于较为成熟的现代控制理论。2008年，王小青等人[7]采用改进的LQR方法，对小型无人直升机进行增稳系统设计。
为了解决经典频域理论不适合多变量系统设计的问题，20世纪80年代，Zames和Doyle提出了H∞控制理论。H∞控制理论应用于指标项转化为特定闭环传递函数矩阵的H∞范数的设计问题，将频域概念与状态空间法相结合，给出了鲁棒控制系统的设计方法。2008年，车军等人[8]基于H∞理论设计了内回路鲁棒姿态控制律。
还有反馈线性化，这是基于精准模型的线性化方法，一般在大范围内有效。通过对原状态的非线性系统转换成线性的能控能观测系统，再通过一般的线性控制方法进行控制。清华大学的胡春华在博士论文中，就通过反馈线性化将纵列式无人直升机近似线性化。[9]
3.2 非线性控制器
通过上述分析说明，线性控制器的适用范围是具有局限性的。当小型无人直升机的运行偏离了平衡点，或者对于适用范围之外的控制，线性控制器对于系统的控制效果就显得很薄弱了。因此需要用非线性控制器对非线性对象进行控制，可以是单独控制，也可以运用复合策略。
反步控制技术的基本理念是降阶非线性系统为若干个子系统，然后设计Lyapunov函数和子系统的虛拟部分，再倒推回原来的系统。这种方法的优点就是化整为零，再控制设定的子系统Lyapunov函数，从而控制整个非线性系统。2012年，孙秀云等人针对小型无人直升机非线性系统，提出了一种基于反步法的控制策略。
自适应控制技术是一种带有在线参数识别的控制方法，需要在系统的运行过程中不断提取有关模型的信息，因此常常会借助人工智能学科，比如神经网络。2005年，王辉等人[11]根据自适应控制理论，基于神经网络设计了自适应控制系统。
滑模控制是根据系统的当前状态不断向目标移动，使系统在预定的滑动轨迹中移动，其特点是具有不连续性。2014年，周彬[12]基于滑膜控制理论为直升机系统设计了双环积分滑模姿态控制器。
参考文献
[1] 我国首架微型无人直升机——“御精灵”/小偷都害怕的高科技皮包/会走路的行李[J].现代班组，2007（8）：18.
[2] 贺跃帮.小型无人直升机鲁棒非线性控制研究[D].广州：华南理工大学，2013.
[3] 瞿友杰，陈谋.基于干扰观测器和SDRE的小型无人直升机姿态控制[A].中国自动化学会系统仿真专业委员会、中国系统仿真学会仿真技术应用专业委员会.第18届中国系统仿真技术及其应用学术年会论文集（18thCCSSTA2017）[C].中国自动化学会系统仿真专业委员会、中国系统仿真学会仿真技术应用专业委员会：中国自动化学会系统仿真专业委员会，2017.
[4] 姜哲，赵新刚，韩建达.小型无人直升机试验平台的设计与实现[J].仪器仪表学报，2006（S3）：1858-1860.
[5] 杨顺龙.小型无人直升机实时控制系统试验平台设计与实现[D].哈尔滨：黑龙江大学，2019.
[6] Humusoft， Prague. 150 Helicopter Model： User’s Manual[Z].Czech Republic，2002.
[7] 王小青，黄一敏，杨一栋.小型无人直升机增稳系统设计[J].系统仿真学报，2008，20（S1）：526-528，533.
[8] 车军，唐强，刘锡成，等.无人旋翼飞机鲁棒姿态控制律设计[J].系统仿真学报，2008，20（S1）：483-485.
[9] 胡春华.纵列式无人直升机建模及非线性控制[D].北京：清华大学，2004.
[10] 孙秀云，方勇纯，孙宁.小型无人直升机的姿态与高度自适应反步控制[J].控制理论与应用，2012，29（3）：381-388.
[11] 王辉，徐锦法，高正.基于神经网络的无人直升机姿态控制系统设计[J].航空学报，2005（6）：16-20.
[12] 周彬.基于滑模的小型无人直升机姿态控制系统设计与实现[D].长沙：国防科学技术大学，2014.