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、招商局南京油運股份有限公司，江蘇 南京210003）

與現(xiàn)有的固定翼無人機相比，多旋翼無人機體積較小、機動性較強，可以實現(xiàn)定點懸停與垂直起落，憑借自身的技術(shù)優(yōu)勢，多旋翼無人機逐步成為高效的作業(yè)平臺，有效滿足應(yīng)急救災(zāi)、地質(zhì)勘察等的相關(guān)要求。但是受制于其負載能力，多旋翼無人機在使用過程中，會出現(xiàn)搖擺不穩(wěn)定的情況，影響最終的使用效果，為增強多旋翼無人機的穩(wěn)定性，需要通過建立模型等技術(shù)手段，打造出成熟的帶懸掛機制，在實現(xiàn)多旋翼無人機受力分析的同時，形成對控制器的動力補償，形成動態(tài)化的多旋翼無人機的控制機制。

1 多旋翼無人機概述

對多旋翼無人機的技術(shù)構(gòu)成與優(yōu)勢的分析，引導(dǎo)技術(shù)人員形成全面、系統(tǒng)的認知，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?；顒拥拈_展，控制方案的優(yōu)化提供了方向性引導(dǎo)。

多旋翼無人機作為新型設(shè)備，機械結(jié)構(gòu)較為簡單，設(shè)備安裝、維護難度較低，可以實現(xiàn)垂直起降，這種技術(shù)特點與設(shè)備優(yōu)勢，使得多旋翼無人機逐步成為主流的無人機技術(shù)方案。近些年來多旋翼無人機技術(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)的無人機，與傳統(tǒng)的固定翼無人機相比，多旋翼無人機在開展貨物運輸、地質(zhì)勘察的過程中，不需要過多考慮無人機的裝載容積以及裝載物的形狀，因此有著較強的實用性，更好地滿足了多場景下的使用需求[1]。但是必須清楚地認識到，這種運輸與負載特點，使得多旋翼無人機進行吊掛飛行環(huán)節(jié)，極易出現(xiàn)負載擺動的問題，影響了飛行的穩(wěn)定性，從而在很大程度，限制了多旋翼無人機使用場景。為改善這種局面，強化多旋翼無人機的飛行能力，避免無人機負載擺動的發(fā)生，需要對現(xiàn)有的多旋翼無人機技術(shù)方案作出必要的調(diào)整，通過相關(guān)技術(shù)手段，有效解決擺動問題，增強無人機設(shè)備的可控性。

2 帶懸掛多旋翼無人負載分析

多旋翼無人機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，通過必要的建模處理，組建起多旋翼無人機的力學(xué)模型，實現(xiàn)對負載的合理分配，增強了穩(wěn)定控制的可行性與有效性。

2.1 帶懸掛多旋翼無人機力學(xué)模型分析

為持續(xù)提升多旋翼無人機帶懸掛配套設(shè)施的運行效能，提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，避免多旋翼無人機帶懸掛設(shè)計、實現(xiàn)環(huán)節(jié)存在漏洞，增強帶懸掛多旋翼無人機負載分布的科學(xué)性。需要積極做好帶懸掛多旋翼無人機力學(xué)分析，構(gòu)建起完善的力學(xué)模型，旨在推動多懸掛組件設(shè)計思路的科學(xué)梳理[2]。具體來看，在帶懸掛多旋翼無人機建模之前，為更加準(zhǔn)確地描述運動狀態(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，通過這種舉措，將整個多旋翼無人機在各個階段的運行狀態(tài)以點、線的方式呈現(xiàn)出來，將抽象的研究實現(xiàn)具象化。例如需要根據(jù)相關(guān)要求，確定地面坐標(biāo)系、機體坐標(biāo)系、懸掛點坐標(biāo)系等，依托坐標(biāo)系的建立，使得帶懸掛多旋翼無人機各個模塊，能夠以最為直接的方式體現(xiàn)，消除了環(huán)境因素對于整個研究活動的影響[3]。以機體坐標(biāo)系為例，通過對坐標(biāo)系的選取，實現(xiàn)了多旋翼無人機模塊組件之間相互關(guān)系的確立，如圖1 所示：

圖1 多旋翼無人機空間坐標(biāo)分布情況

在完成多旋翼無人機空間坐標(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動特性分析等方面的工作，通過運動特性分析，全面掌握多旋翼無人機帶懸掛模塊的基本情況，為后續(xù)建模工作的開展奠定堅實基礎(chǔ)?？紤]到整個多旋翼無人機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在運動學(xué)特性分析環(huán)節(jié)，為簡化研究、分析流程，降低研究難度，可以將機體運動作為主狀態(tài)，并以此為基礎(chǔ)，進行運動模型的構(gòu)建。懸掛模塊運動特性的分析，則著眼于這一實際，將運動過程中，歸結(jié)為自由度剛體運動以及懸掛點的角運動。這種運動特性的分析，可以較好地評估多旋翼懸掛模塊的穩(wěn)定狀態(tài)，同時多旋翼無人機在飛行過程中，會出現(xiàn)較多的飛行狀態(tài)，作出不同的飛行動作，基于這種實際，在進行多旋翼無人機懸掛模塊運動特性分析環(huán)節(jié)，只考量勻速運動以及懸停狀態(tài)下的飛行情況。在整個運動特性研究環(huán)節(jié)，需要明確掌握分析要點，避免運動特性分析出現(xiàn)誤區(qū)，影響工作成效。具體來看，多旋翼無人機、懸掛模塊應(yīng)當(dāng)視為剛體，將懸掛模塊作為質(zhì)點，建立起與多旋翼無人機之間的聯(lián)系。懸掛模塊在運動過程中，懸掛繩索可以忽略自身質(zhì)量以及繩索承受的氣動力，通過對上述注意實現(xiàn)的明確，減少了多旋翼無人機懸掛模塊運動分析的難度，增強了運動特性分析的有效性。在理順研究思路的基礎(chǔ)上，初步實現(xiàn)了對多旋翼無人機懸掛模塊運動狀態(tài)的評估與分析。多旋翼無人機在運動過程中，受到懸掛負載的作用，產(chǎn)生了阻力、阻力矩，對多旋翼無人機懸掛模塊的受力情況形成了全方位的認知，為后續(xù)負載模型設(shè)計、建設(shè)奠定了堅實基礎(chǔ)。

2.2 多旋翼無人機懸掛負載模型建設(shè)

多旋翼無人機懸掛負載模型環(huán)節(jié)，需要從平動方程、轉(zhuǎn)動方程等角度出發(fā)，完成數(shù)據(jù)動力學(xué)的分析與探討。以平動方程為例，在本次研究過程中，借助于F=maB，其中F 為多旋翼無人機受到的外部合力，aB表示懸掛模塊支點的絕對的加速度情況，研發(fā)人員可以將整個多旋翼無人機勻速運動過程中，所受阻力進行了科學(xué)計算。多旋翼無人機懸掛組件，在轉(zhuǎn)動過程中，需要滿足動量矩定理的相關(guān)要求，按照JwB+wBxJwB=M的公式要求，公式中J 表示多旋翼無人機轉(zhuǎn)動慣量矩陣，wB表示無人機機身的速度，借助這種處理方式，引導(dǎo)研究人員對多旋翼無人機合力矩形成正確的認知。平動方程、合力矩的計算，使得研究人員，可以有效評估多旋翼無人機懸掛模式的穩(wěn)定性，準(zhǔn)確掌握懸掛模塊的運行狀態(tài)，為后續(xù)控制組件的設(shè)計、穩(wěn)定系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了必要的數(shù)據(jù)參考，避免了整個穩(wěn)定性控制模塊設(shè)置的盲目性[4]。從過往經(jīng)驗來看，通過對多旋翼懸掛負載模塊力學(xué)特征的分析，逐步準(zhǔn)確把握各類數(shù)據(jù)，便于研發(fā)人員開展相應(yīng)的設(shè)計工作，對懸掛模塊作出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使其受力更為均衡，更好地滿足現(xiàn)階段多旋翼無人機的使用需求。

2.3 多旋翼無人機平臺建設(shè)方案

在帶懸掛多旋翼無人機創(chuàng)設(shè)過程中，為保證受力的穩(wěn)定性，實現(xiàn)阻力的合理控制，需要采用中心對稱的分布方案，使得整個多旋翼無人機懸掛模塊可以貼合實際的使用需求，增強負載搖擺問題的應(yīng)對能力。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)字信號處理器、現(xiàn)場編輯門陣等相關(guān)架構(gòu)，在這種運行架構(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，則可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)接口的拓展，實現(xiàn)了多旋翼無人機遙控裝置、GPS、數(shù)據(jù)記錄儀的有效聯(lián)動，實現(xiàn)了內(nèi)部數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，對于勻速分析以及定點懸停過程中，無人機建設(shè)懸掛模塊穩(wěn)定性的提升有著極大的促進作用。同時在多旋翼無人機平臺建設(shè)的框架下，研發(fā)人員可以有序推進無人機控制機制的完善，實現(xiàn)懸掛模塊穩(wěn)定性與可操控性的合理兼顧。

3 帶懸掛多旋翼無人機負載控制機制創(chuàng)建路徑

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

3.1 帶懸掛多旋翼無人機控制機制創(chuàng)建原則

著眼于帶懸掛多旋翼無人機的動力學(xué)特性，為提升飛行過程中，操作人員對于飛行狀態(tài)的控制能力，減少懸掛負載搖擺等情況的發(fā)生，需要認真做好控制機制的的創(chuàng)建工作?？紤]到整個控制機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、實用性原則，立足于帶懸掛多旋翼無人機的飛行特點，通過系統(tǒng)化的建模操作，科學(xué)分析、準(zhǔn)確評估帶懸掛多旋翼無人機的飛行狀態(tài)以及力學(xué)特性，在此基礎(chǔ)上，有目的、有指向的進行控制機制策略的制定與執(zhí)行，以此來保證控制機制能夠很好地適應(yīng)不同場景下帶懸掛多旋翼無人機的操作要求，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，在控制機制創(chuàng)建環(huán)節(jié)，需要認真做好無人機控制機制實用性的評估，確?？刂茩C制符合正常的操作邏輯，避免對用戶操作產(chǎn)生妨礙，造成多旋翼無人機可控性的下降，影響后續(xù)的使用。

3.2 認真做好仿真平臺的搭建

為增強帶懸掛多旋翼無人機飛行的穩(wěn)定性，需要認真做好仿真平臺的創(chuàng)建，以仿真平臺作為前提，對多旋翼無人機在懸掛負載飛行中可能出現(xiàn)的各類情況進行模擬，并根據(jù)模擬結(jié)果，制定相應(yīng)的操作方案，增強負載飛行的穩(wěn)定性，避免搖擺問題的發(fā)生。在這一思路的指導(dǎo)下，研究人員可以通過Matlab 中的Simulink 組件，進行帶懸掛多旋翼無人機的仿真環(huán)境模擬，并形成完善的動態(tài)建模、仿真分析以及綜合應(yīng)用的平臺機制，如圖2 所示：

圖2 帶懸掛多旋翼無人機的仿真平分析

依托于仿真平臺的建設(shè)，實現(xiàn)了對帶懸掛多旋翼無人機運行機理的全面評估與有效分析，在這一仿真平臺下，多旋翼無人機具備較強的學(xué)習(xí)能力，可以根據(jù)環(huán)境要素、負載情況，靈活調(diào)整運輸方案，并將相關(guān)指令及時反饋給操作人員，操作人員根據(jù)提示，開展相關(guān)操作。

3.3 帶懸掛多旋翼無人機的線性優(yōu)化

從過往經(jīng)驗來看，帶懸掛多旋翼無人機進行線性優(yōu)化，可以提升多旋翼無人機運行的平穩(wěn)性，確保其在懸停狀態(tài)的抗搖擺能力，更好地適應(yīng)不同場景下的使用需求。在帶懸掛多旋翼無人機線性優(yōu)化環(huán)節(jié)，研發(fā)人員需要依據(jù)建模分析結(jié)果，掌握多旋翼無人機懸停狀態(tài)下的穩(wěn)定工作點，明確橫滾角、仰俯角等數(shù)據(jù)的相關(guān)情況，并對相關(guān)數(shù)據(jù)進行配平處理。由于配平過程中涉及到大量的數(shù)據(jù)，計算難度較高，計算誤差較大，因此可以通過Simulink 軟件中的ControlDesign 模塊，在短時間內(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人機進行地質(zhì)勘查的過程中，通過追加GIS 模塊，實現(xiàn)了對地質(zhì)數(shù)據(jù)的有效讀取與精準(zhǔn)分析。

結(jié)束語

多旋翼無人機作為一種成熟的飛行平臺，其承擔(dān)著搶險救災(zāi)、地質(zhì)勘察等多項任務(wù)?？紤]到多旋翼無人機的使用場景與操作要求，需要結(jié)合實際，對已有的穩(wěn)定機制作出相應(yīng)的調(diào)整，實現(xiàn)多旋翼無人機穩(wěn)定性的逐步提升，以強化多旋翼無人機的定點懸停能力，為各項任務(wù)的推進與完成，提供良好的技術(shù)支撐。