張瑞辰

【摘 要】隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的快速發(fā)展，小型四旋翼無人機(jī)的研究和應(yīng)用受到了越來越為廣泛的關(guān)注。本文回顧了四旋翼無人機(jī)的發(fā)展歷史，介紹了小型四旋翼無人機(jī)的飛行基本原理，從動力系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等幾個(gè)模塊出發(fā)，全面分析了小型四旋翼無人機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)及其工作指標(biāo)和要求，并對其未來的的應(yīng)用范疇和發(fā)展方向做出了展望。

【關(guān)鍵詞】無人機(jī) 四旋翼 傳感器 飛行控制

1 引言

伴隨著航空航天技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)技術(shù)也在快速發(fā)展，并逐漸從軍用領(lǐng)域進(jìn)入民用領(lǐng)域，其中最常見的就是四旋翼無人機(jī)。四旋翼飛機(jī)是一種由十字分布的四個(gè)螺旋槳組成的六自由度欠驅(qū)動系統(tǒng)，四個(gè)由螺旋槳組成的旋翼處于同一水平面上，結(jié)構(gòu)和半徑相同[1]。四旋翼無人機(jī)因?yàn)槠湫⌒突?、輕量化、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可垂直起降同時(shí)便于控制，被越來越多地應(yīng)用于航拍、探測、農(nóng)藥噴灑等領(lǐng)域。

2 四旋翼無人機(jī)的發(fā)展歷史

四旋翼無人機(jī)擁有較長的發(fā)展歷史。1903年萊特兄弟成功試飛人類歷史上第一架飛機(jī)，四年后，也就是1907年，法國人Breguet兄弟設(shè)計(jì)并試飛了歷史上第一架旋翼飛機(jī)Breguet-Richet Gyroplane，該飛行器為四旋翼結(jié)構(gòu)，飛行員坐在中間，在起飛時(shí)，飛行器四個(gè)端點(diǎn)位置需要工作人員協(xié)助才能起飛[2]。雖然飛行情況不是很理想，但是其基本結(jié)構(gòu)與飛行原理與如今的四旋翼無人機(jī)類似。其后，在1922年，標(biāo)致汽車公司的工程師Etienne Oemichen設(shè)計(jì)出了歷史上最早的可以實(shí)現(xiàn)懸停的旋翼飛機(jī)[2]。

之后的數(shù)十年中，四旋翼無人機(jī)技術(shù)一直沒有太大的進(jìn)展。

不過，進(jìn)入21世紀(jì)以后，隨著控制理論、傳感器技術(shù)和電池技術(shù)的蓬勃發(fā)展，小型化旋翼無人機(jī)的實(shí)現(xiàn)成為了可能。國內(nèi)外高校、研究所和公司相繼投入進(jìn)行小型旋翼無人機(jī)的研究。德國的microdrones公司于2005年推出了md-200系列無人機(jī)，其結(jié)構(gòu)已經(jīng)和目前小型四旋翼無人機(jī)相差無幾[3]。美國的賓夕法尼亞大學(xué)、麻省理工學(xué)院在旋翼無人機(jī)領(lǐng)域擁有很強(qiáng)的實(shí)力。我國的大疆創(chuàng)新公司所生產(chǎn)的小型多旋翼無人機(jī)已經(jīng)占據(jù)了世界航拍市場過半的份額，其飛控、通信技術(shù)也出于業(yè)內(nèi)領(lǐng)先地位。

3 小型四旋翼無人機(jī)飛行原理

四旋翼飛機(jī)通過調(diào)節(jié)四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)升力的變化從而實(shí)現(xiàn)對飛行器飛行姿態(tài)和位置的控制。四旋翼飛機(jī)有四個(gè)輸入動力，但是可以實(shí)現(xiàn)六個(gè)狀態(tài)的輸出，具體如圖1。

四旋翼飛行器的電機(jī)1和電機(jī)3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，電機(jī)2和電機(jī)4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，因此當(dāng)飛行器平衡飛行時(shí)，陀螺效應(yīng)和空氣動力扭矩效應(yīng)均被抵消?，F(xiàn)規(guī)定X軸正方向?yàn)榍斑M(jìn)，箭頭在旋翼的運(yùn)動平面上方表示此電機(jī)轉(zhuǎn)速提高，在下方表示此電機(jī)轉(zhuǎn)速下降。

圖1描述了理想狀態(tài)下四旋翼無人機(jī)飛行狀態(tài)與四個(gè)電機(jī)輸出情況的狀況的關(guān)系，實(shí)際飛行情況還會受到外界風(fēng)、地面效應(yīng)、原有飛行狀態(tài)等影響。

4 小型四旋翼無人機(jī)的硬件構(gòu)成

整個(gè)無人機(jī)飛行器可以被分為動力系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等幾個(gè)模塊。飛控系統(tǒng)是整個(gè)無人機(jī)的控制核心，傳感器系統(tǒng)是無人機(jī)獲取飛行狀態(tài)信息的重要單元，通信系統(tǒng)起著連接機(jī)上各系統(tǒng)和連接地面站與無人機(jī)的作用，動力系統(tǒng)則負(fù)責(zé)飛機(jī)飛行動力的提供。圖2為四旋翼無人機(jī)硬件結(jié)構(gòu)框圖。

4.1 飛控系統(tǒng)

飛控系統(tǒng)或稱飛控板主要負(fù)責(zé)無人機(jī)飛行姿態(tài)、飛行位置的計(jì)算與控制，發(fā)送PWM信號給動力系統(tǒng)等。

四旋翼無人機(jī)本質(zhì)上是一個(gè)不穩(wěn)定的系統(tǒng)，所以飛控系統(tǒng)無時(shí)無刻不在監(jiān)視并控制著無人機(jī)的飛行狀態(tài)，將遙控器和地面站的飛行指令轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的PWM信號發(fā)送給四個(gè)螺旋槳，使飛行器盡可能地滿足設(shè)定的飛行要求。因而，飛控系統(tǒng)必須具有較強(qiáng)的處理性能和較高的工作頻率。

4.2 傳感器系統(tǒng)

傳感器系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)采集飛行器飛行狀態(tài)信息，小型四旋翼無人機(jī)主要可以分為以下幾個(gè)傳感器單元：姿態(tài)測量單元（陀螺儀，加速度計(jì)，電子羅盤），位置測量單元（GPS，氣壓計(jì)）。如果說飛控系統(tǒng)是無人機(jī)的大腦，那么傳感器系統(tǒng)就是無人機(jī)的感覺器官。

由于四旋翼無人機(jī)各個(gè)旋翼之間本身的不完全一致性和存在于旋翼間的復(fù)雜氣流擾動等因素，無人機(jī)的姿態(tài)難以做到完全穩(wěn)定。因而，無人機(jī)需要配有姿態(tài)測量單元以監(jiān)測集體姿態(tài)并反饋給飛控系統(tǒng)。姿態(tài)測量單元中，陀螺儀可以獲得相對于當(dāng)前方向轉(zhuǎn)動角速度，通過對角速度積分即可知道任意時(shí)間的姿態(tài)角[4]。然而，單一傳感器并不可靠。輔以電子羅盤和加速度傳感器則可較為準(zhǔn)確的知道無人機(jī)的具體姿態(tài)信息。對于位置測量單元來說，需要能夠滿足小型無人機(jī)室內(nèi)和室外使用兩種場景。室內(nèi)場景主要通過視覺技術(shù)定位，本文討論的是室外應(yīng)用場景。隨著衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展，目前無人機(jī)通常使用消費(fèi)級的GPS作為位置測量方案。消費(fèi)級GPS普遍可以達(dá)到米級的定位精度，這并不能完全滿足無人機(jī)對于高度信息的要求。一些近地、近水的飛行動作要求無人機(jī)有更精確的高度控制，人們通常使用高度氣壓計(jì)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。其工作原理很簡單，大氣壓隨著高度增加而減小，通過測量地表氣壓并作為基準(zhǔn)，無人機(jī)就可以很精確的知道在某處的高度。

4.3 通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)主要接收遙控器的控制指令，因?yàn)榇蟛糠中⌒退男頍o人機(jī)還配有地面站，通信系統(tǒng)還負(fù)責(zé)與地面站的通信。

控制四旋翼無人機(jī)的方式有很多種，由于飛行遙控器控制距離遠(yuǎn)、信道多、抗干擾能力強(qiáng)，所以飛行遙控器是主流的控制方式。遙控器往往配有對應(yīng)的接收機(jī)。遙控器的通信鏈路由它們構(gòu)成。另一方面無人機(jī)通常需要和地面站進(jìn)行通信，回傳飛行參數(shù)和航拍畫面。常用的通信方式有無線數(shù)傳模塊和圖傳模塊。

4.4 動力系統(tǒng)

動力系統(tǒng)是支持無人機(jī)飛行的重要部分。動力系統(tǒng)一般由電機(jī)、電子調(diào)速器和螺旋槳組成。電子調(diào)速器可以將飛控系統(tǒng)的PWM信號轉(zhuǎn)化為輸出給電機(jī)的電壓，不同占空比的PWM信號對應(yīng)于不同的輸出電壓大小。一般而言，要求遙控器油門在中點(diǎn)時(shí)，四個(gè)電機(jī)產(chǎn)生的升力剛好和系統(tǒng)自重相當(dāng)，可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的懸停。

4.5 其他硬件單元

無人機(jī)上還配有電源模塊實(shí)現(xiàn)對整機(jī)的供電。有些四旋翼無人機(jī)還配有如云臺等的特殊任務(wù)單元等模塊，以滿足不同類型、不同用途的無人機(jī)的特定需求。

5 總結(jié)與展望

現(xiàn)如今，旋翼無人機(jī)技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于我們的生活之中，最常見的莫過于旋翼無人機(jī)航拍、無人機(jī)快遞。小型四旋翼無人機(jī)技術(shù)也越來越成熟。不過，現(xiàn)有的無人機(jī)性能仍有很大的提高空間。如何降低無人機(jī)的自重和功耗，提高無人機(jī)飛行時(shí)間和飛行速度是一個(gè)重要的研究方向。另一方面隨著應(yīng)用場景的增多，對無人機(jī)飛行控制和飛行狀態(tài)監(jiān)測的實(shí)時(shí)性、飛行穩(wěn)定性的要求也越來越高。除了對于無人機(jī)單體的要求外，多機(jī)協(xié)同、集群飛行也是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

旋翼無人機(jī)技術(shù)以其低成本、小型化的優(yōu)點(diǎn)必然會在以后更廣泛的應(yīng)用于我們的日常生活中。

參考文獻(xiàn)：

[1]聶博文，馬宏緒，王劍，等.微小型四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)[J].電光與控制，2007，14（6）：113-117.

[2]王樹剛.四旋翼直升機(jī)控制問題研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2006.

[3]張?zhí)旌剑捉鹌?旋翼式無人機(jī)的發(fā)展和趨勢 Development and Trend of Unmanned Rotorcraft[J]. Artificial Intelligence and Robotics Research，2013.

[4]梁閣亭，惠俊軍，李玉平.陀螺儀的發(fā)展及應(yīng)用[J].飛航導(dǎo)彈，2006（4）.