帶懸掛負(fù)載的多旋翼無(wú)人機(jī)負(fù)載控制方案

張吉廷 熊智辰

（1、江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京211170 2、招商局南京油運(yùn)股份有限公司，江蘇 南京210003）

與現(xiàn)有的固定翼無(wú)人機(jī)相比，多旋翼無(wú)人機(jī)體積較小、機(jī)動(dòng)性較強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)懸停與垂直起落，憑借自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，多旋翼無(wú)人機(jī)逐步成為高效的作業(yè)平臺(tái)，有效滿足應(yīng)急救災(zāi)、地質(zhì)勘察等的相關(guān)要求。但是受制于其負(fù)載能力，多旋翼無(wú)人機(jī)在使用過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)搖擺不穩(wěn)定的情況，影響最終的使用效果，為增強(qiáng)多旋翼無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定性，需要通過(guò)建立模型等技術(shù)手段，打造出成熟的帶懸掛機(jī)制，在實(shí)現(xiàn)多旋翼無(wú)人機(jī)受力分析的同時(shí)，形成對(duì)控制器的動(dòng)力補(bǔ)償，形成動(dòng)態(tài)化的多旋翼無(wú)人機(jī)的控制機(jī)制。

1 多旋翼無(wú)人機(jī)概述

對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)的技術(shù)構(gòu)成與優(yōu)勢(shì)的分析，引導(dǎo)技術(shù)人員形成全面、系統(tǒng)的認(rèn)知，逐步把握帶懸掛組件的使用環(huán)境與技術(shù)要求，為后續(xù)建?；顒?dòng)的開(kāi)展，控制方案的優(yōu)化提供了方向性引導(dǎo)。

多旋翼無(wú)人機(jī)作為新型設(shè)備，機(jī)械結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，設(shè)備安裝、維護(hù)難度較低，可以實(shí)現(xiàn)垂直起降，這種技術(shù)特點(diǎn)與設(shè)備優(yōu)勢(shì)，使得多旋翼無(wú)人機(jī)逐步成為主流的無(wú)人機(jī)技術(shù)方案。近些年來(lái)多旋翼無(wú)人機(jī)技術(shù)體系日益成熟，出現(xiàn)了四旋翼、六旋翼、八旋翼等多種形態(tài)的無(wú)人機(jī)，與傳統(tǒng)的固定翼無(wú)人機(jī)相比，多旋翼無(wú)人機(jī)在開(kāi)展貨物運(yùn)輸、地質(zhì)勘察的過(guò)程中，不需要過(guò)多考慮無(wú)人機(jī)的裝載容積以及裝載物的形狀，因此有著較強(qiáng)的實(shí)用性，更好地滿足了多場(chǎng)景下的使用需求[1]。但是必須清楚地認(rèn)識(shí)到，這種運(yùn)輸與負(fù)載特點(diǎn)，使得多旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行吊掛飛行環(huán)節(jié)，極易出現(xiàn)負(fù)載擺動(dòng)的問(wèn)題，影響了飛行的穩(wěn)定性，從而在很大程度，限制了多旋翼無(wú)人機(jī)使用場(chǎng)景。為改善這種局面，強(qiáng)化多旋翼無(wú)人機(jī)的飛行能力，避免無(wú)人機(jī)負(fù)載擺動(dòng)的發(fā)生，需要對(duì)現(xiàn)有的多旋翼無(wú)人機(jī)技術(shù)方案作出必要的調(diào)整，通過(guò)相關(guān)技術(shù)手段，有效解決擺動(dòng)問(wèn)題，增強(qiáng)無(wú)人機(jī)設(shè)備的可控性。

2 帶懸掛多旋翼無(wú)人負(fù)載分析

多旋翼無(wú)人機(jī)帶懸掛組件的合理化構(gòu)建，需要依托現(xiàn)有的技術(shù)手段，通過(guò)必要的建模處理，組建起多旋翼無(wú)人機(jī)的力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的合理分配，增強(qiáng)了穩(wěn)定控制的可行性與有效性。

2.1 帶懸掛多旋翼無(wú)人機(jī)力學(xué)模型分析

為持續(xù)提升多旋翼無(wú)人機(jī)帶懸掛配套設(shè)施的運(yùn)行效能，提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，避免多旋翼無(wú)人機(jī)帶懸掛設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)存在漏洞，增強(qiáng)帶懸掛多旋翼無(wú)人機(jī)負(fù)載分布的科學(xué)性。需要積極做好帶懸掛多旋翼無(wú)人機(jī)力學(xué)分析，構(gòu)建起完善的力學(xué)模型，旨在推動(dòng)多懸掛組件設(shè)計(jì)思路的科學(xué)梳理[2]。具體來(lái)看，在帶懸掛多旋翼無(wú)人機(jī)建模之前，為更加準(zhǔn)確地描述運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)做好坐標(biāo)系創(chuàng)建，例如工作人員需要做好坐標(biāo)系的選擇與坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，通過(guò)這種舉措，將整個(gè)多旋翼無(wú)人機(jī)在各個(gè)階段的運(yùn)行狀態(tài)以點(diǎn)、線的方式呈現(xiàn)出來(lái)，將抽象的研究實(shí)現(xiàn)具象化。例如需要根據(jù)相關(guān)要求，確定地面坐標(biāo)系、機(jī)體坐標(biāo)系、懸掛點(diǎn)坐標(biāo)系等，依托坐標(biāo)系的建立，使得帶懸掛多旋翼無(wú)人機(jī)各個(gè)模塊，能夠以最為直接的方式體現(xiàn)，消除了環(huán)境因素對(duì)于整個(gè)研究活動(dòng)的影響[3]。以機(jī)體坐標(biāo)系為例，通過(guò)對(duì)坐標(biāo)系的選取，實(shí)現(xiàn)了多旋翼無(wú)人機(jī)模塊組件之間相互關(guān)系的確立，如圖1 所示：

圖1 多旋翼無(wú)人機(jī)空間坐標(biāo)分布情況

在完成多旋翼無(wú)人機(jī)空間坐標(biāo)系的創(chuàng)建工作之后，研發(fā)人員需要做好帶懸掛模塊的運(yùn)動(dòng)特性分析等方面的工作，通過(guò)運(yùn)動(dòng)特性分析，全面掌握多旋翼無(wú)人機(jī)帶懸掛模塊的基本情況，為后續(xù)建模工作的開(kāi)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)?？紤]到整個(gè)多旋翼無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在運(yùn)動(dòng)學(xué)特性分析環(huán)節(jié)，為簡(jiǎn)化研究、分析流程，降低研究難度，可以將機(jī)體運(yùn)動(dòng)作為主狀態(tài)，并以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模型的構(gòu)建。懸掛模塊運(yùn)動(dòng)特性的分析，則著眼于這一實(shí)際，將運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，歸結(jié)為自由度剛體運(yùn)動(dòng)以及懸掛點(diǎn)的角運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)特性的分析，可以較好地評(píng)估多旋翼懸掛模塊的穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)多旋翼無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)較多的飛行狀態(tài)，作出不同的飛行動(dòng)作，基于這種實(shí)際，在進(jìn)行多旋翼無(wú)人機(jī)懸掛模塊運(yùn)動(dòng)特性分析環(huán)節(jié)，只考量勻速運(yùn)動(dòng)以及懸停狀態(tài)下的飛行情況。在整個(gè)運(yùn)動(dòng)特性研究環(huán)節(jié)，需要明確掌握分析要點(diǎn)，避免運(yùn)動(dòng)特性分析出現(xiàn)誤區(qū)，影響工作成效。具體來(lái)看，多旋翼無(wú)人機(jī)、懸掛模塊應(yīng)當(dāng)視為剛體，將懸掛模塊作為質(zhì)點(diǎn)，建立起與多旋翼無(wú)人機(jī)之間的聯(lián)系。懸掛模塊在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，懸掛繩索可以忽略自身質(zhì)量以及繩索承受的氣動(dòng)力，通過(guò)對(duì)上述注意實(shí)現(xiàn)的明確，減少了多旋翼無(wú)人機(jī)懸掛模塊運(yùn)動(dòng)分析的難度，增強(qiáng)了運(yùn)動(dòng)特性分析的有效性。在理順研究思路的基礎(chǔ)上，初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)懸掛模塊運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的評(píng)估與分析。多旋翼無(wú)人機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，受到懸掛負(fù)載的作用，產(chǎn)生了阻力、阻力矩，對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)懸掛模塊的受力情況形成了全方位的認(rèn)知，為后續(xù)負(fù)載模型設(shè)計(jì)、建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.2 多旋翼無(wú)人機(jī)懸掛負(fù)載模型建設(shè)

多旋翼無(wú)人機(jī)懸掛負(fù)載模型環(huán)節(jié)，需要從平動(dòng)方程、轉(zhuǎn)動(dòng)方程等角度出發(fā)，完成數(shù)據(jù)動(dòng)力學(xué)的分析與探討。以平動(dòng)方程為例，在本次研究過(guò)程中，借助于F=maB，其中F 為多旋翼無(wú)人機(jī)受到的外部合力，aB表示懸掛模塊支點(diǎn)的絕對(duì)的加速度情況，研發(fā)人員可以將整個(gè)多旋翼無(wú)人機(jī)勻速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，所受阻力進(jìn)行了科學(xué)計(jì)算。多旋翼無(wú)人機(jī)懸掛組件，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，需要滿足動(dòng)量矩定理的相關(guān)要求，按照J(rèn)wB+wBxJwB=M的公式要求，公式中J 表示多旋翼無(wú)人機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量矩陣，wB表示無(wú)人機(jī)機(jī)身的速度，借助這種處理方式，引導(dǎo)研究人員對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)合力矩形成正確的認(rèn)知。平動(dòng)方程、合力矩的計(jì)算，使得研究人員，可以有效評(píng)估多旋翼無(wú)人機(jī)懸掛模式的穩(wěn)定性，準(zhǔn)確掌握懸掛模塊的運(yùn)行狀態(tài)，為后續(xù)控制組件的設(shè)計(jì)、穩(wěn)定系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了必要的數(shù)據(jù)參考，避免了整個(gè)穩(wěn)定性控制模塊設(shè)置的盲目性[4]。從過(guò)往經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，通過(guò)對(duì)多旋翼懸掛負(fù)載模塊力學(xué)特征的分析，逐步準(zhǔn)確把握各類數(shù)據(jù)，便于研發(fā)人員開(kāi)展相應(yīng)的設(shè)計(jì)工作，對(duì)懸掛模塊作出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使其受力更為均衡，更好地滿足現(xiàn)階段多旋翼無(wú)人機(jī)的使用需求。

2.3 多旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)建設(shè)方案

在帶懸掛多旋翼無(wú)人機(jī)創(chuàng)設(shè)過(guò)程中，為保證受力的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)阻力的合理控制，需要采用中心對(duì)稱的分布方案，使得整個(gè)多旋翼無(wú)人機(jī)懸掛模塊可以貼合實(shí)際的使用需求，增強(qiáng)負(fù)載搖擺問(wèn)題的應(yīng)對(duì)能力。在這一思路的指導(dǎo)下，技術(shù)人員在飛控板中，設(shè)置數(shù)字信號(hào)處理器、現(xiàn)場(chǎng)編輯門(mén)陣等相關(guān)架構(gòu)，在這種運(yùn)行架構(gòu)之下，DSP 可以有效完成組合導(dǎo)航以及飛行控制相關(guān)算法的結(jié)算，F(xiàn)PGA 模塊，則可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接口的拓展，實(shí)現(xiàn)了多旋翼無(wú)人機(jī)遙控裝置、GPS、數(shù)據(jù)記錄儀的有效聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，對(duì)于勻速分析以及定點(diǎn)懸停過(guò)程中，無(wú)人機(jī)建設(shè)懸掛模塊穩(wěn)定性的提升有著極大的促進(jìn)作用。同時(shí)在多旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)建設(shè)的框架下，研發(fā)人員可以有序推進(jìn)無(wú)人機(jī)控制機(jī)制的完善，實(shí)現(xiàn)懸掛模塊穩(wěn)定性與可操控性的合理兼顧。

3 帶懸掛多旋翼無(wú)人機(jī)負(fù)載控制機(jī)制創(chuàng)建路徑

帶懸掛多旋翼無(wú)人機(jī)控制機(jī)制的完善，要求技術(shù)人員以帶懸掛建模作為基礎(chǔ)，通過(guò)針對(duì)性地做好無(wú)人機(jī)控制硬件、軟件系統(tǒng)的創(chuàng)建工作，不斷強(qiáng)化帶懸掛多旋翼無(wú)人機(jī)的控制成效，確保飛行的穩(wěn)定性，最大程度地避免搖擺情況的發(fā)生，為各項(xiàng)任務(wù)的順利完成營(yíng)造良好的外部條件。

3.1 帶懸掛多旋翼無(wú)人機(jī)控制機(jī)制創(chuàng)建原則

著眼于帶懸掛多旋翼無(wú)人機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性，為提升飛行過(guò)程中，操作人員對(duì)于飛行狀態(tài)的控制能力，減少懸掛負(fù)載搖擺等情況的發(fā)生，需要認(rèn)真做好控制機(jī)制的的創(chuàng)建工作。考慮到整個(gè)控制機(jī)制涉及到的元件模塊較為多元，因此需要研發(fā)人員遵循科學(xué)性原則、實(shí)用性原則，立足于帶懸掛多旋翼無(wú)人機(jī)的飛行特點(diǎn)，通過(guò)系統(tǒng)化的建模操作，科學(xué)分析、準(zhǔn)確評(píng)估帶懸掛多旋翼無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)以及力學(xué)特性，在此基礎(chǔ)上，有目的、有指向的進(jìn)行控制機(jī)制策略的制定與執(zhí)行，以此來(lái)保證控制機(jī)制能夠很好地適應(yīng)不同場(chǎng)景下帶懸掛多旋翼無(wú)人機(jī)的操作要求，避免控制技術(shù)的濫用或者缺失[5]。為降低操作難度，管控投入成本，在控制機(jī)制創(chuàng)建環(huán)節(jié)，需要認(rèn)真做好無(wú)人機(jī)控制機(jī)制實(shí)用性的評(píng)估，確保控制機(jī)制符合正常的操作邏輯，避免對(duì)用戶操作產(chǎn)生妨礙，造成多旋翼無(wú)人機(jī)可控性的下降，影響后續(xù)的使用。

3.2 認(rèn)真做好仿真平臺(tái)的搭建

為增強(qiáng)帶懸掛多旋翼無(wú)人機(jī)飛行的穩(wěn)定性，需要認(rèn)真做好仿真平臺(tái)的創(chuàng)建，以仿真平臺(tái)作為前提，對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)在懸掛負(fù)載飛行中可能出現(xiàn)的各類情況進(jìn)行模擬，并根據(jù)模擬結(jié)果，制定相應(yīng)的操作方案，增強(qiáng)負(fù)載飛行的穩(wěn)定性，避免搖擺問(wèn)題的發(fā)生。在這一思路的指導(dǎo)下，研究人員可以通過(guò)Matlab 中的Simulink 組件，進(jìn)行帶懸掛多旋翼無(wú)人機(jī)的仿真環(huán)境模擬，并形成完善的動(dòng)態(tài)建模、仿真分析以及綜合應(yīng)用的平臺(tái)機(jī)制，如圖2 所示：

圖2 帶懸掛多旋翼無(wú)人機(jī)的仿真平分析

依托于仿真平臺(tái)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)帶懸掛多旋翼無(wú)人機(jī)運(yùn)行機(jī)理的全面評(píng)估與有效分析，在這一仿真平臺(tái)下，多旋翼無(wú)人機(jī)具備較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力，可以根據(jù)環(huán)境要素、負(fù)載情況，靈活調(diào)整運(yùn)輸方案，并將相關(guān)指令及時(shí)反饋給操作人員，操作人員根據(jù)提示，開(kāi)展相關(guān)操作。

3.3 帶懸掛多旋翼無(wú)人機(jī)的線性優(yōu)化

從過(guò)往經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，帶懸掛多旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行線性優(yōu)化，可以提升多旋翼無(wú)人機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，確保其在懸停狀態(tài)的抗搖擺能力，更好地適應(yīng)不同場(chǎng)景下的使用需求。在帶懸掛多旋翼無(wú)人機(jī)線性優(yōu)化環(huán)節(jié)，研發(fā)人員需要依據(jù)建模分析結(jié)果，掌握多旋翼無(wú)人機(jī)懸停狀態(tài)下的穩(wěn)定工作點(diǎn)，明確橫滾角、仰俯角等數(shù)據(jù)的相關(guān)情況，并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行配平處理。由于配平過(guò)程中涉及到大量的數(shù)據(jù)，計(jì)算難度較高，計(jì)算誤差較大，因此可以通過(guò)Simulink 軟件中的ControlDesign 模塊，在短時(shí)間內(nèi)完成配平處理，為線性優(yōu)化提供了參考與借鑒。例如在帶懸掛多旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行地質(zhì)勘查的過(guò)程中，通過(guò)追加GIS 模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地質(zhì)數(shù)據(jù)的有效讀取與精準(zhǔn)分析。

結(jié)束語(yǔ)

多旋翼無(wú)人機(jī)作為一種成熟的飛行平臺(tái)，其承擔(dān)著搶險(xiǎn)救災(zāi)、地質(zhì)勘察等多項(xiàng)任務(wù)?？紤]到多旋翼無(wú)人機(jī)的使用場(chǎng)景與操作要求，需要結(jié)合實(shí)際，對(duì)已有的穩(wěn)定機(jī)制作出相應(yīng)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)多旋翼無(wú)人機(jī)穩(wěn)定性的逐步提升，以強(qiáng)化多旋翼無(wú)人機(jī)的定點(diǎn)懸停能力，為各項(xiàng)任務(wù)的推進(jìn)與完成，提供良好的技術(shù)支撐。