迷你六軸飛行器的研究

劉 暢，徐銘偉，任建新

（1.華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，唐山 063210；2.華北理工大學(xué)信息工程學(xué)院，唐山 063210）

六旋翼作為一種具有特殊結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)翼無人飛行器。與固定翼無人機相比，它具有體積小，垂直起降，機動性強，承載能力強，可快速靈活地向各個方向進行操縱的特點。結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，可以執(zhí)行各種特殊和危險的任務(wù)。因此，它在軍事和民用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，如低空偵察，災(zāi)害現(xiàn)場監(jiān)測和救援等。

六軸飛行器具有星形結(jié)構(gòu)用于平衡每個電機的功率以獲得上升推力。它可以更靈活地在空中執(zhí)行各種飛行動作。由于每個轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)期間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，飛行器使用三對相對轉(zhuǎn)動的葉片來抵消由葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)扭矩。六軸飛行器的轉(zhuǎn)向通過葉片的加速和減速來實現(xiàn)，其中三個旋轉(zhuǎn)方向是相同的。使得人們可以更加靈活的控制飛行器。歷史上的飛行器由于機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，過于笨重較難控制等原因，基本不能商用，如今的飛行器由于微型控制系統(tǒng)的快速發(fā)展，小體積輕重量的多軸飛行器得以發(fā)展，穩(wěn)定的多軸飛行器被廣泛的使用和開發(fā)。

1 技術(shù)主要解決問題

1.1 微型化設(shè)計的整機優(yōu)化問題

如今，多軸飛機正變得越來越小型化。對于多軸飛行器來說，在設(shè)計其整體的硬件電路和軟件時要考慮其飛行環(huán)境，以及穩(wěn)定與成本之間的關(guān)系，迷你化，便攜化等。這些方面在一定程度上存在矛盾。我們需要結(jié)合實際以達(dá)到整體的平衡和性能的最優(yōu)化。因此，多軸飛行器在整機的優(yōu)化方面上是對新材料，新算法，新結(jié)構(gòu)的一個新挑戰(zhàn)。

1.2 能源與動力系統(tǒng)的效率問題

研發(fā)出更輕、更小、容量更大、放電能力更強的電池以及更輕、更小、扭矩更強、轉(zhuǎn)速更快、耗能更低的電機可以整體提高六軸飛行器的飛行效率。現(xiàn)如今階段，需要選擇更輕，更小，容量相對較大的電池，以及選擇更有效率的電機進行飛行器的組裝。

1.3 模型準(zhǔn)確性與控制方法有效性的問題

六軸飛行器在飛行時會受到風(fēng)力等其他外力的影響。因此，建立一個穩(wěn)定的數(shù)學(xué)模型是相對較困難的。而且在飛行過程中，由于不可避免的碰撞等因素，槳葉會發(fā)生不同程度的變形，導(dǎo)致拉力與轉(zhuǎn)速之間的數(shù)學(xué)模型更難建立。與此同時傳感器的精度、溫漂以及震動給傳感器帶來的影響，使傳感器不能精準(zhǔn)的描述出飛行器此時的狀態(tài)。這些數(shù)學(xué)模型的不精準(zhǔn)性使得各種算法不容易實現(xiàn)，現(xiàn)如今的算法都是通過精簡的數(shù)學(xué)模型建立的。以及多信息采集來忽略無用的信息是多軸飛行器發(fā)展的必然方向。

滑膜控制，魯棒控制和模糊控制具有強大的處理不確定性和抗干擾性。非線性控制可以實現(xiàn)具有良好跟蹤性能的魯棒控制算法，但對模型具有較高的精度，難以在實際應(yīng)用中實現(xiàn)。雖然PID控制過于傳統(tǒng)，但它簡單實用，PID控制方法常用于實際飛行；基于知識的控制方法生成較晚，不依賴于特定的模型，但需要大量的專家經(jīng)驗數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)正處于快速發(fā)展的過程中。

2 總體結(jié)構(gòu)

六軸飛行器具有三對相對的葉片，每對葉片產(chǎn)生的反扭矩將相互抵消，六個軸將處于穩(wěn)定狀態(tài)。線運動是指由于運動方向上的力的機械分解和主體沿力的方向的運動引起的姿態(tài)角的變化引起的身體運動。六軸飛行器通過相應(yīng)的電機控制葉片旋轉(zhuǎn)的速度，以調(diào)整飛機的平移和旋轉(zhuǎn)，最終完成它的飛行姿態(tài)和飛行動作。

運動原理，以升降運動為例。提升運動是六軸飛行器上下運動沿機身的Z軸。飛機的六個葉片開始旋轉(zhuǎn)（這假設(shè)葉片在機身上僅具有z軸力）。當(dāng)葉片對機身的拉力超過機身的重量時，飛機將在延伸部z中執(zhí)行上升運動。當(dāng)六個葉片相對于機身的張力小于機身的重量時，飛機執(zhí)行下降運動。當(dāng)且僅當(dāng)葉片提供的張力等于機身的重量時，飛機將在z軸上的某個位置懸停，實際上在空中盤旋。以上的狀態(tài)均不考慮其他外力的影響。同時，它考慮俯仰運動，滾動運動，偏航運動，前后平移運動以及左右平移運動。

六軸飛行器的姿態(tài)計算是通過傳感器收集相應(yīng)的數(shù)據(jù)來描述機身的當(dāng)前位置和機身的狀態(tài)。在當(dāng)前的姿態(tài)計算中，角度通常由陀螺儀和加速度計擬合，最終獲得更準(zhǔn)確的飛行姿態(tài)。大多數(shù)傳感器的融合數(shù)據(jù)相對較大，這需要具有強大計算能力的嵌入式系統(tǒng)。

3 結(jié)束語

六軸飛行器是一種較新型的飛行器，目前國內(nèi)外的發(fā)展迅速，在各個領(lǐng)域中都起到了重要的作用，并且將來會發(fā)展到更廣闊的空間。隨著技術(shù)的發(fā)展，多軸飛機將朝著小型化和自動化的方向發(fā)展，并能更好地融入各個領(lǐng)域。對六軸飛行器的理論知識進行概述，選擇合適的算法和控制方案來控制飛行器。隨著科學(xué)的發(fā)展，六軸飛行器還可以得到更好的改進，隨著時間的推移，會有更好的產(chǎn)品出現(xiàn)在人們的面前。

1.4 基于衛(wèi)星定位的導(dǎo)航以及各種抗干擾算法

迷你多軸飛行器還面臨著衛(wèi)星定位導(dǎo)航不精準(zhǔn)，方向傳感器受地面很多因素干擾，震動較大導(dǎo)致不能精確飛行器的狀態(tài)等多方面干擾。多軸飛行器大多數(shù)在較低的空間工作，在靠近地面的環(huán)境中GPS精度不能得到保障，需要其他定位方法來輔助 GPS定位，才能得到較為準(zhǔn)確的方位信息。因此，對外界干擾的過濾，