四旋翼無人機飛行控制系統(tǒng)的發(fā)展研究進(jìn)展

羅鼎馨 湘潭大學(xué)信息工程學(xué)院

前言

在計算機技術(shù)、人工智能技術(shù)快速發(fā)展的大背景下，有效推動了我國無人機應(yīng)用發(fā)展。飛行控制系統(tǒng)作為無人機重要的組成部分，通過分析探討飛行控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，這對于提升無人機飛行控制性能，促進(jìn)無人機實現(xiàn)更進(jìn)一步的發(fā)展，發(fā)揮著更大的價值具有重要的意義。

一、四旋翼無人機結(jié)構(gòu)組成與飛行機理分析

（一）四旋翼無人機結(jié)構(gòu)組成分析

四旋翼無人機在結(jié)構(gòu)組成方面具有明顯的“十字交叉”特征，即整體結(jié)構(gòu)呈嚴(yán)格對稱十字交叉結(jié)構(gòu)，在無人機體中央，配置有中心系統(tǒng)控制板與外部設(shè)備，無人機驅(qū)動裝置為直流無刷電機，這種電機共有四個，分布在四旋翼無人機“十字架”四個端點中，由該電機帶動與其連接的螺旋槳進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而為無人機提供源源不斷的飛行動力。與此同時，四旋翼無人機在實際進(jìn)行飛行時，通常會受到旋翼產(chǎn)生的反力矩作用的影響，因此為避免在飛行時出現(xiàn)偏航問題，四旋翼無人機在結(jié)構(gòu)上應(yīng)用了四個螺旋槳，并在同一個平面之中，按照依次相差 90°的方式進(jìn)行了安裝，其中對于相鄰兩個螺旋槳而言，它們的轉(zhuǎn)動方向相反，而相對兩個螺旋槳的轉(zhuǎn)動方向相同，如此一來，螺旋槳在對角線上產(chǎn)生的反力矩便能夠互相抵消，從而確保飛行器不會出現(xiàn)偏航問題。此外，四旋翼無人機以不同的動力系統(tǒng)分配方式為依據(jù)，在實際進(jìn)行飛行時，有著兩種不同的飛行模式可供選擇，一種是“+”字型，一種是“×”字型，文章本次選擇的四旋翼無人機為“+”字型，并將其中按順時針方向旋轉(zhuǎn)的兩個螺旋槳設(shè)置為 1、3螺旋槳，將旋轉(zhuǎn)方向為逆時針的為兩個螺旋槳 2、4螺旋槳，以下是對該無人機飛行機理的分析。

（二）四旋翼無人機飛行機理

四旋翼無人機在實際飛行過程中，通過調(diào)節(jié)螺旋槳力矩，并對螺旋槳產(chǎn)生的升力加以控制，能夠有效克服螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的反扭矩以及無人機本身的重力，實現(xiàn)高空飛行的同時，還能夠改變機體的姿態(tài)角與位置狀態(tài)，使得飛行更加自由靈活多變。對于某個特定四旋翼無人機而言，由于螺旋槳固聯(lián)在驅(qū)動裝置（直流無刷電機）之上，無人機的攻角與槳葉面積等參數(shù)固定不變，因此無人機的旋翼升力系數(shù)也不會改變，在葉素理論的指導(dǎo)下，通過對四旋翼無人機進(jìn)行動力學(xué)分析我們能夠認(rèn)識到，無人機在飛行過程中，自身承受的升力與力矩與旋翼轉(zhuǎn)速的平方成正比。

二、四旋翼無人機飛行控制系統(tǒng)發(fā)展研究進(jìn)展分析

當(dāng)下在商業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用的四旋翼無人機都屬于小型無人機，這種小型無人機控制系統(tǒng)主要有以下功能：一是能夠完成上文敘述的各種動作，二是能夠?qū)崿F(xiàn)自主飛行與遠(yuǎn)程控制操作。從當(dāng)下四旋翼無人機飛行控制系統(tǒng)發(fā)展研究進(jìn)展來看，在國外，四旋翼無人機有著良好的操作性，該四旋翼無人機由法國公司研發(fā)生產(chǎn)，飛行高度為30m,并且能夠直接通過智能手機進(jìn)行控制，無人機可搭載高清攝像頭，能夠在飛行過程中完成拍攝任務(wù)，用戶可以通過智能手機進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控拍攝。四旋翼無人機具體參數(shù)如下：控制系統(tǒng)核心處理器是處理器，為，磁強計、陀螺儀為3軸配置，同時還配置有超聲波傳感器與電子式氣壓傳感器，在無人機四旋翼機端分別配置有一個智能直流電機作為驅(qū)動，通過上述硬件配置，有效保障了

相較于發(fā)達(dá)國家而言，我國在無人機研發(fā)方面雖然起步比較晚，但隨著市場對無人機需求增加，再加上國家近些年對于低空領(lǐng)域管制逐漸開放，國內(nèi)針對于四旋翼無人機研究開發(fā)力度不斷加大，我國很多高新技術(shù)企業(yè)以及高校均開展了針對于四旋翼無人機的研究。尤其是在四旋翼無人機控制系統(tǒng)方面，高校與一些專業(yè)的研究機構(gòu)更加側(cè)重于算法與理論的研究，而高新技術(shù)企業(yè)則更加注重于應(yīng)用實踐研究。

從企業(yè)針對于四旋翼無人機飛行控制系統(tǒng)研究發(fā)展現(xiàn)狀來看，“大疆”公司作為商用無人機行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，自身研發(fā)生產(chǎn)的“系列小型航拍四旋翼無人機廣受國內(nèi)及國外市場的歡迎。大疆公司在無人機研發(fā)方面主要用于航拍，無人機一般搭載有高清攝像機，攝像機的像素高達(dá)1200萬，因此在高空拍攝的圖像非常的清晰，高清視頻錄像方面，有著非常高的幀率，一般為30幀/s。與此同時，當(dāng)下針對于無人機航拍飛行控制方面，融入了先進(jìn)的飛行航拍防抖技術(shù)，從而能夠更好的適應(yīng)各種復(fù)雜的航拍場景，能夠有效保證拍攝圖片影像的清晰度，在無人機之上，搭載有三軸云臺，能夠讓相機子在高空中保持非常平穩(wěn)的狀態(tài)，獲取的拍攝畫面也更加的清晰流暢。無人機在進(jìn)行室內(nèi)飛行時，得益于先進(jìn)的視覺定位系統(tǒng)，再加上先進(jìn)的高精度超聲波傳感器的幫助，能夠?qū)崿F(xiàn)對圖像的實時分析，并能夠獲取具體的高度信息，同時還能夠在室內(nèi)進(jìn)行精準(zhǔn)懸停，并能夠始終保持飛行的穩(wěn)定性。除此之外，大疆四旋翼無人機還有著性能非常突出的自緊旋翼，從而更夠幫助無人機實現(xiàn)一種特定復(fù)雜的飛行運動動作，保證整體分析的穩(wěn)定性。當(dāng)下針對于最新的大疆無人機而言，除了具備上述優(yōu)良的控制性能外，在電池方面也作出了良好的改進(jìn)，當(dāng)下大疆四旋翼無人機具備良好的電池保護(hù)功能與監(jiān)測功能，從而在電池實際電量不充足時，及時發(fā)出預(yù)警，保證無人機能夠順利安全的返航，且能夠支持智能手機遠(yuǎn)程遙控，在無遮擋的情況下，遙控距離高達(dá)3000m。

三、無人機發(fā)展應(yīng)用前景分析

無人機當(dāng)下有著非常廣闊的應(yīng)用前景，除了無人機技術(shù)水平日益成熟，同時在應(yīng)用領(lǐng)域方面也變得更加的廣泛。具體來說，首先在植保領(lǐng)域，無人機已經(jīng)能夠被用于高空農(nóng)藥噴灑、播種等方面的工作，與傳統(tǒng)拖拉機作業(yè)相比，無人機空中飛行更加靈活自由，不受地形限制，能夠顯著提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植效益。例如大疆公司生產(chǎn)的T16無人機，一次載藥量能夠達(dá)到16kg，并配置有專用壓力離心噴頭，使得噴藥更加精準(zhǔn)，除此之外，T16無人機還配備有查分定位與成像雷達(dá)，使得無人機控制系統(tǒng)性能得到了顯著的增強，可實現(xiàn)一機多控。其次在航拍領(lǐng)域，航拍可以說是無人機最早的應(yīng)用領(lǐng)域之一，當(dāng)下在無人機航拍，隨著計算機視覺技術(shù)（CV）、云臺穩(wěn)定控制技術(shù)等技術(shù)的應(yīng)用，促使無人機航拍品質(zhì)得到了顯著的提升，同時當(dāng)前無人機還配備有專門的高速圖像傳輸系統(tǒng)，因此能夠?qū)o人機航拍畫面實時傳輸至地面站加以利用，航拍質(zhì)量水平得到了良好提升。最后，物流領(lǐng)域是近些年無人機應(yīng)用的一種新的領(lǐng)域，我國部分電商、快遞企業(yè)如京東、順豐等，近些年也已經(jīng)完成了無人機投遞試驗，這對于推動無人機貨物配送發(fā)展具有重要意義。在國外，電商巨頭亞馬遜開始利用無人機，打造“空中訂單履行中心（AFC）”，利用無人機群，將地面貨物運輸系統(tǒng)轉(zhuǎn)移至空中，實現(xiàn)一些小型商品的高效率配送，更有助于節(jié)省物流成本，推動物流產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

四、總結(jié)

綜上所述，控制系統(tǒng)是四旋翼無人機的核心組成部分，從當(dāng)下四旋翼無人機控制系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀來看，控制系統(tǒng)已經(jīng)日趨發(fā)展成熟，并在各個領(lǐng)域中均得到了廣泛的應(yīng)用。通過對四旋翼無人機飛行控制系統(tǒng)研究進(jìn)展進(jìn)行分析探討，更能推動整體無人機研發(fā)實現(xiàn)更好的發(fā)展。