“本文主要講多旋翼飛行器的系統(tǒng)辨識(shí)，簡(jiǎn)單闡述幾個(gè)概念。還是從一個(gè)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(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的時(shí)候，都是簡(jiǎn)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(shè)計(jì)控制器，包括驗(yàn)證控制器性能的時(shí)候，絕不是簡(jiǎn)單調(diào)調(diào)PID參數(shù)、看看時(shí)域的波形就結(jié)束了。理論上要想量化控制器的優(yōu)劣設(shè)計(jì)，少不了對(duì)飛行器進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)，而這方面，基本上很少有廠家會(huì)去做。因素有很多，如精細(xì)化設(shè)計(jì)的需求本身、工程師的水平等。”

01、系統(tǒng)辨識(shí)到底有什么用？

首先是，飛行器領(lǐng)域的系統(tǒng)辨識(shí)到底有什么作用？總結(jié)起來就是大致以下幾點(diǎn)： （1）對(duì)飛行器本身進(jìn)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(yàn)證與改進(jìn)）； （4）指導(dǎo)飛行控制算法設(shè)計(jì)（根軌跡法），基于模型的控制算法設(shè)計(jì)； （5）控制器性能驗(yàn)證（帶寬、相位滯后、穩(wěn)定裕度），定量分析控制算法設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。

02、系統(tǒng)辨識(shí)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(yīng)和頻率響應(yīng)。 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(shí)出參數(shù)化模型。它需要做很多假設(shè)，比如模型階次、運(yùn)動(dòng)方程的結(jié)構(gòu)、參數(shù)初始值等。從這個(gè)意義上來說，實(shí)際還是非參數(shù)化模型用的多，主要就是頻率響應(yīng)。它可以迅速的幫我們了解系統(tǒng)，理解一些關(guān)鍵問題。

03、頻率響應(yīng)法的優(yōu)點(diǎn)？

1. 可利用相干函數(shù)來作為辨識(shí)精度的指標(biāo)； 2. 能準(zhǔn)確找到系統(tǒng)的時(shí)間延遲； 3. 開環(huán)頻率響應(yīng)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(yīng)能確定指令的跟蹤性能，包括帶寬等。

04、手動(dòng)操縱是否可以？

一般來說，都是由飛手進(jìn)行手動(dòng)操縱。然而，實(shí)際應(yīng)用中，掃頻取數(shù)據(jù)也是一個(gè)技術(shù)活，絕不是飛手簡(jiǎn)單左右打打桿就能做好的。 隨便舉幾個(gè)例子，如打桿的幅值多大比較好？輸入的幅值太小，那響應(yīng)的幅值就小，信噪比低，辨識(shí)精度下降；輸入的幅值太大，飛行器運(yùn)動(dòng)會(huì)偏離參考配平狀態(tài)很多，這樣線性模型的假設(shè)就失效了。數(shù)據(jù)記錄長(zhǎng)度多長(zhǎng)？輸入信號(hào)的頻率范圍是什么樣？等等。

05、怎么避免手動(dòng)操縱帶來的誤差？

解決方案也簡(jiǎn)單，就是設(shè)計(jì)一種飛行模式，輸入信號(hào)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成，這樣飛手操作的影響就小很多。 如何設(shè)計(jì)掃頻信號(hào)？幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，頻率范圍，輸入幅值，淡入淡出時(shí)間，日志記錄時(shí)間。頻率范圍要確保對(duì)應(yīng)的頻率響應(yīng)在模型應(yīng)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(shí)的時(shí)候，開始與結(jié)束階段輸入為零，保證穩(wěn)態(tài)；淡入淡出時(shí)間設(shè)計(jì)，保證開始或結(jié)束的時(shí)候輸入信號(hào)過于尖銳。 下面給出一組信號(hào)的仿真結(jié)果：

日志記錄時(shí)間：70s；

頻率范圍：0.08-30Hz；

幅值：0.26rad/s；

淡入時(shí)間：15s；

淡出時(shí)間：10s；

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06、多旋翼本體模型辨識(shí)的特殊性

固定翼本體模型辨識(shí)，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(shí)。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(jìn)行辨識(shí)。 閉環(huán)實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)是控制增穩(wěn)系統(tǒng)會(huì)抑制手動(dòng)操縱的低頻輸入信號(hào)，導(dǎo)致信噪比低，進(jìn)而低頻段的辨識(shí)精度下降。

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還有一個(gè)問題是，控制輸入會(huì)包含干擾響應(yīng)，導(dǎo)致本體模型估計(jì)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