四軸飛行器的結(jié)構(gòu)和控制綜述

趙陽(yáng)　王敏　徐志輝　史非凡　王玉斌

摘?要：現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展迅猛，越來(lái)越多有趣的科技產(chǎn)品進(jìn)入人們生活，其中四軸飛行器是不得不提的。四軸飛行器是一種靈活且易操控的小型無(wú)人機(jī)，在表演、航拍、運(yùn)輸小型貨物等方面都有不錯(cuò)的應(yīng)用前景。本文將先分類總結(jié)學(xué)者研究的進(jìn)展和貢獻(xiàn)，再對(duì)四軸飛行器的結(jié)構(gòu)原理和控制方法進(jìn)行綜述。

關(guān)鍵詞：四軸飛行器;發(fā)展歷程;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);控制方法

1 四軸飛行器的發(fā)展歷程

世界上第一架四軸飛行器于1907年誕生于Breguet兄弟的工作室，四軸飛行器正式踏入歷史舞臺(tái)，但由于其在飛行時(shí)無(wú)法得到有效的控制，其穩(wěn)定性較差。1924年，名為Oemichen的四軸飛行器誕生，并完成了四軸無(wú)人機(jī)發(fā)展歷史上首次1KM高度的飛行。1956年，Convertawing發(fā)明的飛行器采用了使用兩個(gè)引擎來(lái)驅(qū)動(dòng)四個(gè)旋翼的方式，通過(guò)改變四個(gè)旋翼產(chǎn)生的力來(lái)完成飛行控制，這架飛行器為后來(lái)的四軸飛行器打下基礎(chǔ)。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制理論的發(fā)展和應(yīng)用，四軸飛行器得到了很好的發(fā)展，并為人類生產(chǎn)和生活都帶來(lái)了極大的便利。

2 四軸飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

四軸飛行器的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用十字形交叉布置的方案。在四個(gè)主軸的外側(cè)端點(diǎn)處分別安裝四個(gè)電機(jī)，且要保證這四個(gè)電機(jī)的旋翼處在同一水平面，該結(jié)構(gòu)的中央部分具有安放飛行控制電路以及作為預(yù)留擴(kuò)展平臺(tái)功能。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是，其十字形布局允許飛行器通過(guò)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速獲得調(diào)節(jié)飛行姿態(tài)的力。飛行控制電路具有解算當(dāng)前飛行姿態(tài)并控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的功能。圖1（a）所示為四軸飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖，設(shè)定1號(hào)旋翼為飛行器的頭部，讓1號(hào)旋翼和3號(hào)旋翼逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，讓2號(hào)旋翼和4號(hào)旋翼順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。由于四個(gè)旋翼之間的轉(zhuǎn)動(dòng)差異，會(huì)使得飛行器機(jī)身與水平地面產(chǎn)生一個(gè)傾斜角度。

如圖1（b）所示，四個(gè)旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力可分解成垂直地面向上的升力和前向分力。當(dāng)飛行器旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的升力大小與其自身重力相等時(shí)，前向分力使得飛行器沿傾斜角方向水平飛行。當(dāng)傾斜角是俯仰角時(shí)，飛行器可向前或向后運(yùn)動(dòng);當(dāng)傾斜角是橫滾角時(shí)，飛行器向左或向右運(yùn)動(dòng);當(dāng)傾斜角屬于航向角時(shí)，由逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的兩旋翼產(chǎn)生的反扭矩和順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的兩旋翼產(chǎn)生的反扭矩的共同作用，飛行器會(huì)繞z軸自旋轉(zhuǎn)。具體飛行狀態(tài)控制可參照下表內(nèi)容。

3 四軸飛行器的控制方法綜述

四軸飛行器在航行中可能會(huì)突然受到來(lái)自氣流或磁場(chǎng)變化的干擾，使得傳感器采集的參數(shù)出現(xiàn)失真，這些錯(cuò)誤信號(hào)輸入控制器就會(huì)使得飛行器的姿態(tài)發(fā)生紊亂，甚至是造成飛行器墜毀。為此，我們引入雙環(huán)PID控制對(duì)飛行器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控和修正，使之穩(wěn)定航行。對(duì)于其姿態(tài)控制，如圖2示，以變換靈敏的角速度因子作為內(nèi)環(huán)，以角度作為外環(huán)，當(dāng)飛行姿態(tài)出現(xiàn)偏差時(shí)，可以快速的對(duì)其姿態(tài)進(jìn)行修正。同理，飛行器想要飛行在一個(gè)恒定的高度范圍，必須克服氣流運(yùn)動(dòng)對(duì)其機(jī)身的干擾，引入z軸加速度值作為內(nèi)環(huán)，對(duì)采集計(jì)算到的高度值進(jìn)行持續(xù)調(diào)整，使之維持在預(yù)期的高度范圍。其中，PID輸信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速大小，可以調(diào)整飛行器的空間三軸歐拉角和高度。

通常采用PID控制算法中的位置式數(shù)字PID控制：

ut=kpet+ki∫t0etΔt+kdΔetΔt（1）

式（1）中ut代表PID控制算法輸出值，et為期望值與實(shí)際值之差，∫t0etΔt代表積分量，ΔetΔt代表微分量，kp、ki、kd分別代表比例、積分、微分的系數(shù)。

4 總結(jié)

飛行一直是人類的夢(mèng)想。四軸飛行器作為一種流行的科技產(chǎn)品，可以在多種應(yīng)用場(chǎng)景之中為人們創(chuàng)造便利。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷的發(fā)展和應(yīng)用，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，相信四軸無(wú)人機(jī)會(huì)給我們帶來(lái)更多的驚喜。

參考文獻(xiàn)：

[1]陸偉男，蔡啟仲，李剛，鄭力.基于四軸飛行器的雙閉環(huán)PID控制[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2014，14（33）：127-131.

[2]肖志紅，魏仕倫.四旋翼飛行器巡線算法的研究[J].中國(guó)新通信，2016，18（15）：126-128.

[3]lmonkey000.四軸飛行器原理與雙閉環(huán)PID控制[J].CSDN博客，2016-03-06.