劉歡歡 高偉坤 張海娜

（天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司，天津 300301）

四旋翼無人機(jī)因其簡單的結(jié)構(gòu)、靈活的飛行方式以及相對低廉的成本，成為民用和商業(yè)領(lǐng)域常見的無人機(jī)類型之一，在農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、物流、搜索救援等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。四旋翼無人機(jī)的設(shè)計(jì)和性能直接影響其在實(shí)際應(yīng)用中的效果和表現(xiàn)，其設(shè)計(jì)過程中常存在飛行時(shí)間受限、障礙物感知不足、惡劣氣象下的穩(wěn)定性問題等技術(shù)難題[1]。

1 四旋翼無人機(jī)設(shè)計(jì)中存在的技術(shù)缺陷

1.1 飛行時(shí)間和續(xù)航問題

無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間受電池容量和能耗的限制，在實(shí)際應(yīng)用中直接影響無人機(jī)的任務(wù)執(zhí)行能力和效率。在執(zhí)行飛行任務(wù)中，無人機(jī)需要在一定時(shí)間內(nèi)完成特定的操作，而續(xù)航時(shí)間的限制可能會(huì)限制其在空中的持續(xù)執(zhí)行時(shí)間。這一問題在農(nóng)業(yè)作業(yè)、巡檢、搜索救援等領(lǐng)域尤為突出。

電池容量是決定無人機(jī)飛行時(shí)間的關(guān)鍵因素。較大的電池容量通常意味著更長的飛行時(shí)間，但也帶來了重量和體積的增加，影響無人機(jī)的有效載荷和整體性能。設(shè)計(jì)者需要在電池容量、飛行時(shí)間和無人機(jī)性能之間進(jìn)行權(quán)衡，以滿足不同應(yīng)用場景的需求。無人機(jī)在執(zhí)行不同飛行任務(wù)中消耗的能量是影響續(xù)航時(shí)間的重要因素。不同任務(wù)對能量的需求不同，如高速飛行和懸停狀態(tài)下的能耗差異較大。飛行速度越快，飛行中產(chǎn)生的氣動(dòng)阻力越大，從而加大能耗。此外，無人機(jī)的懸停和起降等操作同樣消耗能量[2]。因此，設(shè)計(jì)者需要根據(jù)任務(wù)需求，優(yōu)化無人機(jī)的飛行軌跡和速度，降低能耗，從而延長續(xù)航時(shí)間。

1.2 避障與障礙物感知問題

障礙物感知主要依賴傳感器來獲取環(huán)境中的信息。然而，不同類型的傳感器在感知范圍、精度、抗干擾能力等方面存在差異。激光雷達(dá)可以提供高分辨率的數(shù)據(jù)，但在雨雪天氣或光線不足的情況下可能受到影響。障礙物感知問題涉及傳感器的性能和精度。以毫米波雷達(dá)的障礙物檢測范圍R為例，其與工作頻率f和天線尺寸有關(guān)，可表示為

式中：c為光速；λ為波長；Atx和Arx分別為天線的發(fā)射面積和接收面積?，F(xiàn)代無人機(jī)常采用多傳感器融合的方法來提升感知障礙物的準(zhǔn)確性。然而，多傳感器融合涉及大量的數(shù)據(jù)處理和算法設(shè)計(jì)。不同傳感器之間的數(shù)據(jù)融合、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、噪聲濾除等問題都需要解決。此外，如何在實(shí)時(shí)性要求較高的情況下處理傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的障礙物感知和避障決策，也是一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)難題。

1.3 高風(fēng)速和惡劣氣象條件下的穩(wěn)定性問題

風(fēng)速的增加會(huì)對無人機(jī)的穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。風(fēng)會(huì)導(dǎo)致氣動(dòng)力的不平衡，進(jìn)而影響無人機(jī)的姿態(tài)控制和飛行軌跡。無人機(jī)在高風(fēng)速環(huán)境下容易出現(xiàn)飛行偏移、姿態(tài)失控等問題。風(fēng)速對無人機(jī)穩(wěn)定性的影響可表示為

式中：Fwind為風(fēng)速產(chǎn)生的氣動(dòng)力；ρ為空氣密度；A為無人機(jī)的參考面積；Vwind為風(fēng)速。

除了風(fēng)速，惡劣的氣象條件如降雨、降雪、低能見度等也會(huì)對無人機(jī)的穩(wěn)定性造成影響。降雨或降雪可能會(huì)附著在無人機(jī)表面，增加飛行阻力，影響飛行性能。低能見度會(huì)減少傳感器的工作效果，降低感知能力。在這些惡劣氣象條件下，無人機(jī)的控制和導(dǎo)航變得更加困難。不同外部條件下，無人機(jī)的穩(wěn)定性差異如表1 所示。

表1 不同外部條件下的穩(wěn)定性差異

由表1 可知，隨著風(fēng)速的增加和惡劣氣象條件的惡化，無人機(jī)的穩(wěn)定性受到越來越大的影響。針對高風(fēng)速和惡劣氣象條件下的穩(wěn)定性問題，需設(shè)計(jì)合適的控制算法，同時(shí)需加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和優(yōu)化飛行控制系統(tǒng)。

2 四旋翼無人機(jī)設(shè)計(jì)問題的優(yōu)化措施

2.1 設(shè)計(jì)高效的電源管理系統(tǒng)，提高無人機(jī)功耗效率

電源管理系統(tǒng)的高效性對于提高無人機(jī)的續(xù)航能力和飛行性能至關(guān)重要。其中，最大功率點(diǎn)追蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技術(shù)是提高太陽能電池效率的關(guān)鍵技術(shù)。MPPT 技術(shù)的核心思想是通過實(shí)時(shí)監(jiān)測太陽能電池的電壓和電流，計(jì)算當(dāng)前工作點(diǎn)對應(yīng)的功率，并根據(jù)功率曲線尋找最大功率點(diǎn)。這樣無論太陽能電池的工作環(huán)境如何變化，MPPT 控制器都能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整工作點(diǎn)，確保太陽能電池始終在最大功率輸出點(diǎn)工作，從而提高能量轉(zhuǎn)換效率。MPPT 技術(shù)可以提高能量轉(zhuǎn)換效率，從而減少對電池的依賴，延長飛行時(shí)間。該技術(shù)可適用于不同光照強(qiáng)度和溫度變化的工作環(huán)境，可與不同類型的太陽能電池如單晶硅、多晶硅、非晶硅等配合使用。表2對比展示了使用和不使用MPPT 技術(shù)時(shí)太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率情況。

表2 使用和不使用MPPT 技術(shù)時(shí)太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率

數(shù)據(jù)表明，使用MPPT 技術(shù)可以顯著提高太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率，尤其在較高的光照強(qiáng)度下效果更明顯。MPPT 技術(shù)可以應(yīng)用于四旋翼無人機(jī)的太陽能充電系統(tǒng)，從而增強(qiáng)無人機(jī)的續(xù)航能力。通過合理的電路設(shè)計(jì)和控制算法，MPPT 控制器可以實(shí)時(shí)調(diào)整太陽能電池的工作點(diǎn)，使其始終工作在最大功率輸出點(diǎn)，最大限度地提高能源利用效率。這樣無人機(jī)可以在太陽光充足的條件下保持較長的飛行時(shí)間，提高飛行效率。

2.2 應(yīng)用毫米波雷達(dá)感知技術(shù)，增強(qiáng)對環(huán)境中障礙物的感知能力

毫米波雷達(dá)傳感器是一種在障礙物探測中廣泛應(yīng)用的傳感器，具有較高的探測精度和適應(yīng)性。應(yīng)用毫米波雷達(dá)感知技術(shù)，可以增強(qiáng)無人機(jī)對環(huán)境中障礙物的感知能力，從而提升飛行安全性。毫米波雷達(dá)在四旋翼無人機(jī)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)3 個(gè)方面。

第一，障礙物檢測和距離測量。毫米波雷達(dá)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測無人機(jī)周圍的障礙物，包括建筑物、樹木、其他飛行器等，提供高精度的距離測量數(shù)據(jù)，避免無人機(jī)碰撞[3]。

第二，地形感知。毫米波雷達(dá)可以檢測地面的高程變化，從而幫助無人機(jī)實(shí)現(xiàn)對地形的感知，適用于低空飛行或復(fù)雜地形環(huán)境下的飛行任務(wù)。

第三，惡劣氣象條件下的感知。毫米波雷達(dá)受雨雪等惡劣天氣的影響較小，具有在惡劣氣象條件下保持良好感知性能的優(yōu)勢。不同頻率的毫米波雷達(dá)在不同障礙物情況下具有不同的感知距離和準(zhǔn)確度，如表3所示。較高的頻率通?？梢蕴峁└h(yuǎn)的感知距離，但準(zhǔn)確度可能相對較低，而較低的頻率在感知準(zhǔn)確度上更具優(yōu)勢。因此，實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)飛行任務(wù)的需求和環(huán)境特點(diǎn)，選擇合適的毫米波雷達(dá)頻率。

表3 毫米波雷達(dá)在不同頻率下的感知距離

2.3 采用飛行控制算法和傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)的精準(zhǔn)控制

飛行控制算法和傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的應(yīng)用對于實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的精準(zhǔn)控制至關(guān)重要。無人機(jī)需要根據(jù)其傳感器獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的飛行姿態(tài)調(diào)整。通過陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)等傳感器獲取的姿態(tài)信息可以傳遞給控制算法，從而實(shí)現(xiàn)對四旋翼電機(jī)的精準(zhǔn)控制，確保無人機(jī)能夠穩(wěn)定懸停、俯仰、橫滾和偏航。同時(shí)，采用先進(jìn)的自適應(yīng)控制算法可以更好地應(yīng)對外界風(fēng)速等因素對飛行穩(wěn)定性的影響，提升飛行的可靠性和精準(zhǔn)性。傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的應(yīng)用也為無人機(jī)的精準(zhǔn)控制提供了重要支持。不同傳感器能夠提供不同類型的數(shù)據(jù)，如姿態(tài)、位置、速度等。融合多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，可以準(zhǔn)確獲取無人機(jī)的狀態(tài)信息。

擴(kuò)展卡爾曼濾波器（Extended Kalman Filter，EKF）是一種常用的狀態(tài)估計(jì)算法，廣泛應(yīng)用于無人機(jī)導(dǎo)航和控制領(lǐng)域。它通過融合不同傳感器提供的數(shù)據(jù)來估計(jì)無人機(jī)的狀態(tài)參數(shù)，如姿態(tài)、位置、速度等。EKF的核心思想是基于系統(tǒng)的狀態(tài)方程和觀測方程，利用貝葉斯濾波原理，遞歸估計(jì)狀態(tài)的概率分布。

它的狀態(tài)估計(jì)分為兩個(gè)階段，分別為狀態(tài)預(yù)測和狀態(tài)更新。

狀態(tài)預(yù)測階段，先獲得k-1 時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)值和協(xié)方差估計(jì)值Pk-1|k-1，然后根據(jù)控制輸入u和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型=f(xk-1|k-1,uk)進(jìn)行狀態(tài)預(yù)測，此時(shí)協(xié)方差預(yù)測為Pk=AkPk-1|k-1+Qk。

狀態(tài)更新階段，k時(shí)刻的觀測值為zk，定義觀測模型為h(xk)。通過觀測值和觀測模型來修正狀態(tài)估計(jì)值Kk=和=xk+Kk[zk-h(xk)] 進(jìn)行狀態(tài)更新，此時(shí)協(xié)方差矩陣公式為Pk=(I-KkHk)Pk。

這里Ak為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，I為單位矩陣，Qk為過程噪聲協(xié)方差，Hk為觀測矩陣，Rk為觀測噪聲協(xié)方差，Kk為卡爾曼增益。

傳感器數(shù)據(jù)融合是將來自不同傳感器的信息融合在一起，以提升對無人機(jī)狀態(tài)的估計(jì)精度。通常無人機(jī)配備了陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）等多種傳感器。每個(gè)傳感器提供不同類型的數(shù)據(jù)，在將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紼KF 之前，需要對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括單位轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換和濾波等[4]，能夠確保不同傳感器的數(shù)據(jù)具有一致的格式和參考框架。利用EKF 等狀態(tài)估計(jì)算法將來自不同傳感器的信息融合后，估計(jì)無人機(jī)的狀態(tài)參數(shù)。例如，陀螺儀和加速度計(jì)可以提供姿態(tài)信息，GPS 模塊可以提供位置和速度信息。之后為不同傳感器賦予適當(dāng)?shù)臋?quán)重，以反映它們的可靠性和精度。一般情況下，具有更高精度的傳感器理論上具有更高的權(quán)重。利用融合后的狀態(tài)估計(jì)值，結(jié)合觀測模型計(jì)算觀測值，并與實(shí)際觀測值進(jìn)行比較，從而進(jìn)行狀態(tài)更新和校正。

在應(yīng)用EKF 和傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)時(shí)，需要合理設(shè)置一些重要參數(shù)，以保障算法的性能和穩(wěn)定性。過程噪聲協(xié)方差表示系統(tǒng)模型的不確定性，需要根據(jù)具體無人機(jī)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行合理估計(jì)。觀測噪聲協(xié)方差表示傳感器測量的不確定性，需要根據(jù)傳感器的性能和環(huán)境條件進(jìn)行估計(jì)。卡爾曼增益影響狀態(tài)更新的速度，需要根據(jù)應(yīng)用場景進(jìn)行調(diào)整，以平衡快速響應(yīng)和抑制噪聲的需求。狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和觀測矩陣需要根據(jù)無人機(jī)的動(dòng)態(tài)特性和傳感器的測量模型進(jìn)行設(shè)定。初始狀態(tài)估計(jì)和協(xié)方差矩陣需要提供初始狀態(tài)估計(jì)值和協(xié)方差矩陣，通常可以利用傳感器的初值進(jìn)行初始化[5]。

3 結(jié)語

四旋翼無人機(jī)設(shè)計(jì)的技術(shù)缺陷既是挑戰(zhàn)也是機(jī)遇，通過采用先進(jìn)的技術(shù)手段，如電源管理系統(tǒng)優(yōu)化、毫米波雷達(dá)感知技術(shù)應(yīng)用以及飛行控制算法與傳感器數(shù)據(jù)融合，可以有效解決這些問題，推動(dòng)無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新。