小型四旋翼無人機硬件結(jié)構(gòu)綜述

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的發(fā)展歷史，介紹了小型四旋翼無人機的飛行基本原理，從動力系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等幾個模塊出發(fā)，全面分析了小型四旋翼無人機的硬件結(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 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。四旋翼飛機是一種由十字分布的四個螺旋槳組成的六自由度欠驅(qū)動系統(tǒng)，四個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]。四旋翼無人機因為其小型化、輕量化、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可垂直起降同時便于控制，被越來越多地應(yīng)用于航拍、探測、農(nóng)藥噴灑等領(lǐng)域。

2 四旋翼無人機的發(fā)展歷史

四旋翼無人機擁有較長的發(fā)展歷史。1903年萊特兄弟成功試飛人類歷史上第一架飛機，四年后，也就是1907年，法國人Breguet兄弟設(shè)計并試飛了歷史上第一架旋翼飛機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，飛行器四個端點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類似。其后，在1922年，標(biāo)致汽車公司的工程師Etienne Oemichen設(shè)計出了歷史上最早的可以實現(xiàn)懸停的旋翼飛機[2]。

之后的數(shù)十年中，四旋翼無人機技術(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，小型化旋翼無人機的實現(xiàn)成為了可能。國內(nèi)外高校、研究所和公司相繼投入進(jìn)行小型旋翼無人機的研究。德國的microdrones公司于2005年推出了md-200系列無人機，其結(jié)構(gòu)已經(jīng)和目前小型四旋翼無人機相差無幾[3]。美國的賓夕法尼亞大學(xué)、麻省理工學(xué)院在旋翼無人機領(lǐng)域擁有很強的實力。我國的大疆創(chuàng)新公司所生產(chǎn)的小型多旋翼無人機已經(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 小型四旋翼無人機飛行原理

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

四旋翼飛行器的電機1和電機3逆時針旋轉(zhuǎn)的同時，電機2和電機4順時針旋轉(zhuǎn)，因此當(dāng)飛行器平衡飛行時，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軸正方向為前進(jìn)，箭頭在旋翼的運動平面上方表示此電機轉(zhuǎn)速提高，在下方表示此電機轉(zhuǎn)速下降。

圖1描述了理想狀態(tài)下四旋翼無人機飛行狀態(tài)與四個電機輸出情況的狀況的關(guān)系，實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 小型四旋翼無人機的硬件構(gòu)成

整個無人機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)等幾個模塊。飛控系統(tǒng)是整個無人機的控制核心，傳感器系統(tǒng)是無人機獲取飛行狀態(tài)信息的重要單元，通信系統(tǒng)起著連接機上各系統(tǒng)和連接地面站與無人機的作用，動力系統(tǒng)則負(fù)責(zé)飛機飛行動力的提供。圖2為四旋翼無人機硬件結(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)無人機飛行姿態(tài)、飛行位置的計算與控制，發(fā)送PWM信號給動力系統(tǒng)等。

四旋翼無人機本質(zhì)上是一個不穩(wěn)定的系統(tǒng)，所以飛控系統(tǒng)無時無刻不在監(jiān)視并控制著無人機的飛行狀態(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，小型四旋翼無人機主要可以分為以下幾個傳感器單元：姿態(tài)測量單元（陀螺儀，加速度計，電子羅盤），位置測量單元（GPS，氣壓計）。如果說飛控系統(tǒng)是無人機的大腦，那么傳感器系統(tǒng)就是無人機的感覺器官。

由于四旋翼無人機各個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，無人機的姿態(tài)難以做到完全穩(wěn)定。因而，無人機需要配有姿態(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，目前無人機通常使用消費級的GPS作為位置測量方案。消費級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有更精確的高度控制，人們通常使用高度氣壓計實現(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，因為大部分小型四旋翼無人機還配有地面站，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，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。遙控器的通信鏈路由它們構(gòu)成。另一方面無人機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)是支持無人機飛行的重要部分。動力系統(tǒng)一般由電機、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時，四個電機產(chǎn)生的升力剛好和系統(tǒng)自重相當(dāng)，可以實現(xiàn)飛機的懸停。

4.5 其他硬件單元

無人機上還配有電源模塊實現(xiàn)對整機的供電。有些四旋翼無人機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、不同用途的無人機的特定需求。

5 總結(jié)與展望

現(xiàn)如今，旋翼無人機技術(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航拍、無人機快遞。小型四旋翼無人機技術(shù)也越來越成熟。不過，現(xiàn)有的無人機性能仍有很大的提高空間。如何降低無人機的自重和功耗，提高無人機飛行時間和飛行速度是一個重要的研究方向。另一方面隨著應(yīng)用場景的增多，對無人機飛行控制和飛行狀態(tài)監(jiān)測的實時性、飛行穩(wěn)定性的要求也越來越高。除了對于無人機單體的要求外，多機協(xié)同、集群飛行也是目前研究的一個熱點。

旋翼無人機技術(shù)以其低成本、小型化的優(yōu)點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）.