羅鼎馨 湘潭大學(xué)信息工程學(xué)院

前言

在計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)快速發(fā)展的大背景下，有效推動(dòng)了我國(guó)無(wú)人機(jī)應(yīng)用發(fā)展。飛行控制系統(tǒng)作為無(wú)人機(jī)重要的組成部分，通過(guò)分析探討飛行控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，這對(duì)于提升無(wú)人機(jī)飛行控制性能，促進(jìn)無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)更進(jìn)一步的發(fā)展，發(fā)揮著更大的價(jià)值具有重要的意義。

一、四旋翼無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)組成與飛行機(jī)理分析

（一）四旋翼無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)組成分析

四旋翼無(wú)人機(jī)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(duì)稱十字交叉結(jié)構(gòu)，在無(wú)人機(jī)體中央，配置有中心系統(tǒng)控制板與外部設(shè)備，無(wú)人機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置為直流無(wú)刷電機(jī)，這種電機(jī)共有四個(gè)，分布在四旋翼無(wú)人機(jī)“十字架”四個(gè)端點(diǎn)中，由該電機(jī)帶動(dòng)與其連接的螺旋槳進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而為無(wú)人機(jī)提供源源不斷的飛行動(dòng)力。與此同時(shí)，四旋翼無(wú)人機(jī)在實(shí)際進(jìn)行飛行時(shí)，通常會(huì)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(shí)出現(xiàn)偏航問(wèn)題，四旋翼無(wú)人機(jī)在結(jié)構(gòu)上應(yīng)用了四個(gè)螺旋槳，并在同一個(gè)平面之中，按照依次相差 90°的方式進(jìn)行了安裝，其中對(duì)于相鄰兩個(gè)螺旋槳而言，它們的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，而相對(duì)兩個(gè)螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同，如此一來(lái)，螺旋槳在對(duì)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(huì)出現(xiàn)偏航問(wèn)題。此外，四旋翼無(wú)人機(jī)以不同的動(dòng)力系統(tǒng)分配方式為依據(jù)，在實(shí)際進(jìn)行飛行時(shí)，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(wú)人機(jī)為“+”字型，并將其中按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的兩個(gè)螺旋槳設(shè)置為 1、3螺旋槳，將旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針的為兩個(gè)螺旋槳 2、4螺旋槳，以下是對(duì)該無(wú)人機(jī)飛行機(jī)理的分析。

（二）四旋翼無(wú)人機(jī)飛行機(jī)理

四旋翼無(wú)人機(jī)在實(shí)際飛行過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)螺旋槳力矩，并對(duì)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(wú)人機(jī)本身的重力，實(shí)現(xiàn)高空飛行的同時(shí)，還能夠改變機(jī)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(duì)于某個(gè)特定四旋翼無(wú)人機(jī)而言，由于螺旋槳固聯(lián)在驅(qū)動(dòng)裝置（直流無(wú)刷電機(jī)）之上，無(wú)人機(jī)的攻角與槳葉面積等參數(shù)固定不變，因此無(wú)人機(jī)的旋翼升力系數(shù)也不會(huì)改變，在葉素理論的指導(dǎo)下，通過(guò)對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析我們能夠認(rèn)識(shí)到，無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)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(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)都屬于小型無(wú)人機(jī)，這種小型無(wú)人機(jī)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(dòng)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(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)發(fā)展研究進(jìn)展來(lái)看，在國(guó)外，四旋翼無(wú)人機(jī)有著良好的操作性，該四旋翼無(wú)人機(jī)由法國(guó)公司研發(fā)生產(chǎn)，飛行高度為30m,并且能夠直接通過(guò)智能手機(jī)進(jìn)行控制，無(wú)人機(jī)可搭載高清攝像頭，能夠在飛行過(guò)程中完成拍攝任務(wù)，用戶可以通過(guò)智能手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控拍攝。四旋翼無(wú)人機(jī)具體參數(shù)如下：控制系統(tǒng)核心處理器是處理器，為，磁強(qiáng)計(jì)、陀螺儀為3軸配置，同時(shí)還配置有超聲波傳感器與電子式氣壓傳感器，在無(wú)人機(jī)四旋翼機(jī)端分別配置有一個(gè)智能直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，通過(guò)上述硬件配置，有效保障了

相較于發(fā)達(dá)國(guó)家而言，我國(guó)在無(wú)人機(jī)研發(fā)方面雖然起步比較晚，但隨著市場(chǎng)對(duì)無(wú)人機(jī)需求增加，再加上國(guó)家近些年對(duì)于低空領(lǐng)域管制逐漸開放，國(guó)內(nèi)針對(duì)于四旋翼無(wú)人機(jī)研究開發(fā)力度不斷加大，我國(guó)很多高新技術(shù)企業(yè)以及高校均開展了針對(duì)于四旋翼無(wú)人機(jī)的研究。尤其是在四旋翼無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)方面，高校與一些專業(yè)的研究機(jī)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(shí)踐研究。

從企業(yè)針對(duì)于四旋翼無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)研究發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，“大疆”公司作為商用無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)廣受國(guó)內(nèi)及國(guó)外市場(chǎng)的歡迎。大疆公司在無(wú)人機(jī)研發(fā)方面主要用于航拍，無(wú)人機(jī)一般搭載有高清攝像機(jī)，攝像機(jī)的像素高達(dá)1200萬(wàn)，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(shí)，當(dāng)下針對(duì)于無(wú)人機(jī)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(chǎng)景，能夠有效保證拍攝圖片影像的清晰度，在無(wú)人機(jī)之上，搭載有三軸云臺(tái)，能夠讓相機(jī)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(wú)人機(jī)在進(jìn)行室內(nèi)飛行時(shí)，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(duì)圖像的實(shí)時(shí)分析，并能夠獲取具體的高度信息，同時(shí)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(wú)人機(jī)還有著性能非常突出的自緊旋翼，從而更夠幫助無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)一種特定復(fù)雜的飛行運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，保證整體分析的穩(wěn)定性。當(dāng)下針對(duì)于最新的大疆無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)具備良好的電池保護(hù)功能與監(jiān)測(cè)功能，從而在電池實(shí)際電量不充足時(shí)，及時(shí)發(fā)出預(yù)警，保證無(wú)人機(jī)能夠順利安全的返航，且能夠支持智能手機(jī)遠(yuǎn)程遙控，在無(wú)遮擋的情況下，遙控距離高達(dá)3000m。

三、無(wú)人機(jī)發(fā)展應(yīng)用前景分析

無(wú)人機(jī)當(dāng)下有著非常廣闊的應(yīng)用前景，除了無(wú)人機(jī)技術(shù)水平日益成熟，同時(shí)在應(yīng)用領(lǐng)域方面也變得更加的廣泛。具體來(lái)說(shuō)，首先在植保領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)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(jī)作業(yè)相比，無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)，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(wú)人機(jī)還配備有查分定位與成像雷達(dá)，使得無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)性能得到了顯著的增強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)一機(jī)多控。其次在航拍領(lǐng)域，航拍可以說(shuō)是無(wú)人機(jī)最早的應(yīng)用領(lǐng)域之一，當(dāng)下在無(wú)人機(jī)航拍，隨著計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)（CV）、云臺(tái)穩(wěn)定控制技術(shù)等技術(shù)的應(yīng)用，促使無(wú)人機(jī)航拍品質(zhì)得到了顯著的提升，同時(shí)當(dāng)前無(wú)人機(jī)還配備有專門的高速圖像傳輸系統(tǒng)，因此能夠?qū)o(wú)人機(jī)航拍畫面實(shí)時(shí)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(wú)人機(jī)應(yīng)用的一種新的領(lǐng)域，我國(guó)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(wú)人機(jī)投遞試驗(yàn)，這對(duì)于推動(dòng)無(wú)人機(jī)貨物配送發(fā)展具有重要意義。在國(guó)外，電商巨頭亞馬遜開始利用無(wú)人機(jī)，打造“空中訂單履行中心（AFC）”，利用無(wú)人機(jī)群，將地面貨物運(yùn)輸系統(tǒng)轉(zhuǎn)移至空中，實(shí)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(dòng)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(wú)人機(jī)的核心組成部分，從當(dāng)下四旋翼無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，控制系統(tǒng)已經(jīng)日趨發(fā)展成熟，并在各個(gè)領(lǐng)域中均得到了廣泛的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)研究進(jìn)展進(jìn)行分析探討，更能推動(dòng)整體無(wú)人機(jī)研發(fā)實(shí)現(xiàn)更好的發(fā)展。